605 KB - Полимерные материалы

применение нетканых материалов
Возможности практического
применения нетканых полотен
®
Viledon для изготовления
композиционных материалов
А. А. Андреев,
региональный менеджер по продаже нетканых материалов
в России и странах СНГ, ООО «Фройденберг Симрит»
Быстрые темпы роста объемов производства и потребления нетканых материалов во многом объясняются расширением областей их применения. Нетканые материалы в отдельности или в комбинации с другими компонентами
все шире применяются для замены металлов, железобетона и других традиционных материалов, обеспечивая при этом
увеличение срока службы изделий, резкое снижение их массы и ряд других важных преимуществ. Одним из перспективных направлений применения нетканых материалов является использование их в качестве основы для изготовления
композиционных изделий и покрытий всевозможного назначения. Нетканые материалы для этих целей производятся
главным образом из полиакрилонитрильных, полиэфирных и стеклянных волокон. Выбор волокнистого сырья, а также
способа скрепления волокнистого холста определяется конкретным назначением конечного продукта.
Компания Freudenberg Vliesstoffe KG (Германия)
предлагает потребителям широкий ассортимент нетканых материалов. Среди продукции компании важное
место занимают стекловолокнистые материалы серии
Viledon® различного назначения. Ниже рассматриваются возможности применения подобных материалов
в новой области – производстве полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Нетканые материалы Viledon® серии ��������������
FRP�����������
изготавливаются на основе холстов, сформированных из равномерно распределенных химических волокон различных
видов (рис. 1). Скрепление холстов осуществляется с
помощью химических связующих, в качестве которых
наиболее часто применяются термореактивные связующие. После отверждения связующего нетканый
материал может быть смотан в рулон для упаковки и
отправки потребителям.
Рис. 1. Структура нетканого материала
марки Viledon® при 200-кратном увеличении (фото: Freudenberg)
Состав и технология изготовления
нетканых материалов Viledon® серии FRP
Основными видами сырья для изготовления основы
нетканых материалов являются полиэфирные (ПЭФ),
полиакрилонитрильные (ПАН) и стеклянные волокна.
Выбор именно этих видов волокон обусловлен прежде
всего характерными для них свойствами.
• Полиэфирные волокна:
° хорошая устойчивость к воздействию кислот,
водно-соляных растворов и многих органических растворителей;
° ограниченная устойчивость к воздействию щелочей;
° низкое влагопоглощение.
• Полиакрилнитрильные волокна:
° хорошая устойчивость к воздействию химических
веществ, сопоставимая с ПЭФ;
° более высокая по сравнению с ПЭФ-волокнами
устойчивость к воздействию щелочей;
° высокая устойчивость к воздействию ультрафиолетового излучения (отсутствие эффекта пожелтения);
° пригодность для изготовления прозрачных изделий
(по величине коэффициента преломления световых лучей близки к ненасыщенным полиэфирным смолам).
• Стеклянные волокна:
° стекловолокно E:
■ пригодность для изготовления многофункциональных элементов (при отсутствии высоких требований в отношении кислотоустойчивости);
■ хорошая устойчивость к воздействию щелочей;
■ идеальная пригодность для изготовления прозрачных изделий;
не т ка н ые м ате р иа л ы прод ук ция о боруд ование тех но логи и март /2008
17
применение нетканых материалов
° стекловолокно C:
■ повышенная устойчивость к воздействию кислот;
■ устойчивость к воздействию щелочей ниже, чем
у стекловолокна E;
■ прозрачность ниже, чем у стекловолокна E;
° стекловолокно ECR:
■ устойчивость к воздействию кислот выше, чем у
стекловолокон С и E.
Равномерное распределение волокон отдельных
компонентов в структуре материала обеспечивается
за счет тщательного их смешивания и последующего
чесания на чесальных машинах (рис. 2, а).
а
б
Рис. 2. Основные операции технологического процесса изготовления нетканого полотна: а – интенсивное чесание смеси
волокон на чесальных машинах для получения равномерного
по массе и структуре холста; б – дополнительное упрочнение
холста с помощью химических связующих веществ (источник:
Freudenberg)
Предварительно скрепленный полуфабрикат подвергается дополнительному упрочнению с помощью
химических связующих веществ (рис. 2, б). В качестве
связующего могут применяться: нитрильный, хлоропреновый и натуральный каучуки, полиакрилаты, меламиновые и фторуглеродные смолы. Дополнительное
скрепление позволяет придать материалу необходимую
прочность, эластичность и (при необходимости) стойкость к воздействию агрессивных химических сред.
За счет целенаправленного выбора способа и режима обработки материала обеспечивается достижение
показателей физико-механических свойств, определяемых конкретной областью применения нетканого
материала.
18
Способы изготовления композиционных материалов
и покрытий с использованием материалов Viledon®
В настоящее время существует целый ряд различных
методов изготовления изделий из ПКМ с применением
в качестве основы нетканых материалов Viledon® серии
FRP:
1. Ручная выкладка нетканого материала с последующим напылением волокон (рис. 3, а). Применяется при
изготовлении различных (прежде всего – крупногабаритных) изделий с односторонней гладкой поверхностью. В открытую необогреваемую форму 5 помещают
заготовку 2 из нетканого материала Viledon®, затем на
нее наносят слой связующего 3, на который методом
распыления наносят слой волокон 4. Волокнистый
слой уплотняют с помощью ручного устройства 1,
одновременно удаляя воздух из пространства между
слоями образующегося композиционного материала
и обеспечивая тем самым надежное и плотное соединение этих слоев. Процесс напыления слоев волокон
может повторяться несколько раз с предварительным
нанесением связующего вещества на уже образованную
заготовку.
2. Прессование (рис. 3, б). В нижнюю (подвижную)
часть 1 раскрытой обогреваемой или необогреваемой
пресс-формы укладывают заготовку 2 из нетканого
материала Viledon®, на которую последовательно наносят слой стеклянных волокон 4 и связующего 3.
После этого осуществляется формование под давлением образованного пакета между нижней 1 и верхней
5 частями пресс-формы.
3. Непрерывное формование (рис. 3, в). На сматываемую с рулона пленочную подложку 1 наносят слой
связующего 2, на который последовательно укладывают
слой 3 нетканого материала Viledon®, стеклоткань 4
и второй слой пленки 5. Ламинированный материал
пропускается через выпускное устройство. При необходимости материал может подвергаться калибровке или
формованию под давлением между двумя полуформами
6 и разрезаться на участки требуемой длины отрезным
устройством 7.
4. Пропитка под давлением (рис. 3, г). Нетканый
материал 2 Viledon® помещают в открытую вакуумируемую форму вместе с конструкционным слоем 1.
После этого форма закрывается и в нее подается
свяующее.
5. Намотка (рис. 3, д). Смола наносится на оправку 4,
покрытую анитиадгезионной пленкой или парафином. Затем на оправку наматывается сухой нетканый
материал 1 Viledon®. Нетканый материал может предварительно пропускаться через пропиточную ванну
3 с направляющим устройством. При наматывании
пропитанного нетканого материала из него удаляется
воздух с помощью прижимного устройства 5. Разные
варианты способа (сухой и мокрый) позволяют значительно расширить спектр областей применения
получаемых изделий. Нетканый материал может
наматываться на оправку вместе со стеклянными
нитями 2.
нет каные мат ери алы про дукци я оборудовани е тех но логи и март /2008
применение нетканых материалов
2
1
3
4
5
а
1
б
2
3
2
3
4
5
4
5
6
7
3
1
в
1
г
2
1
1
4
2
3
4
5
д
е
2
5
6
3
Рис.3. Основные методы формования изделий из полимерных композиционных материалов (источник: Freudenberg): а – ручная
выкладка; б – прессование; в – непрерывное формование; г – пропитка под давлением; д – намотка; е – пултрузия (расшифровку
позиций см. в тексте статьи)
6. Пултрузия (рис. 3, е). Этот способ применяется
для изготовления протяженных профилированных или
трубчатых изделий с гладкой поверхностью. Нетканый
материал 1 Viledon® подвергается непрерывному формованию в устройствах 4, 5 и калибровке в устройстве 6
вместе с предварительно пропитанным в ванне 3 слоем
из стеклянного ровинга 2.
Во всех случаях фиксация формы заготовки изделия
на основе термореактивных связующих осуществляется
вследствие их отверждения по температурному режиму,
характерному для выбранного связующего.
Эффективность применения нетканых материалов
продемонстрирована на рис. 4, из которого видно,
что наличие этого материала позволяет существенно
улучшить внешний вид изделия и устойчивость его
поверхности к внешним воздействиям.
20
Возможности практического
применения материалов
Viledon® серии FRP
На рис. 5 представлены основные области применения нетканых материалов Viledon®. Так, стекловолокнистые материалы используются, как правило, в сочетании
с самыми разнообразными материалами в строительстве
и в других областях, где к материалам предъявляются
повышенные требования в отношении:
° стабильности размеров (при изготовлении кровельных материалов, черепицы, электронных печатных
плат, напольных покрытий, материалов для отделки
автомобилей);
° акустических свойств, например, в производстве
потолочной плитки, плавающих полов;
° антикоррозийных свойств (для изготовления сте-
нет каные мат ери алы про дукци я оборудовани е тех но логи и март /2008
применение нетканых материалов
а
б
в
г
Рис. 4. Микрорельеф (а, в) и внешний вид поверхности (б, г)
полимерных композиционных материалов (после 1000 ч
экспозиции в камере погоды), изготовленных с применением нетканого материала Viledon® (а, б) и без него (в, г)
(источник: Freudenberg)
а
б
в
Рис. 5. Примеры практического применения нетканых
материалов Viledon®: а – изготовление стеклопластиковых
труб методом непрерывного наматывания; б – изготовление
облицовки катеров, яхт; в – прочие области применения
(источник: Freudenberg)
клопластиков, материалов для изоляции труб, сепараторов аккумуляторных батарей, фильтров);
° огнестойкости (для дублирования со вспененными
материалами и стекловатой).
Выбор нетканых материалов определяется особенностями технологии производства ПКМ и областями
их применения. Так, например, механические характеристики готового композиционного покрытия находятся в прямой зависимости от ориентации волокон
и способа скрепления холста. Регулируя параметры
процесса скрепления волокнистого холста, можно получать более эластичные или более жесткие нетканые
материалы. Области их применения зависят от предъявляемых к ним требований:
• относительно эластичный полиакрилонитрильный нетканый материал Viledon® применяется в тех
случаях, когда важным требованием является высокая
растяжимость пропитанного полотна для обеспечения
оптимального облегания сложных форм (например,
ручное нанесение покрытий);
• стекловолокнистые (эластичные или жесткие)
нетканые материалы Viledon  на основе холстов из
неориентированных волокон предназначены для ис-
пользования в тех областях, в которых готовое полотно
должно выдерживать высокие механические нагрузки
во всех направлениях и сохранять форму при последующих обработках (например, в процессе наматывания на
несущие конструкции);
• полиэфирные нетканые материалы Viledon® с
ориентированными в продольном направлении волокнами применяются там, где от изделия требуются
высокая механическая прочность в продольном направлении и одновременно высокая гибкость в поперечном направлении (например, при пултрузии).
Нетканые материалы Viledon уже на протяжении
десятилетий используются во многих областях промышленности в качестве компонентов таких изделий,
как:
■ кровельные материалы (Viledon является хорошей
армирующей основой для битумных кровельных материалов, поскольку обеспечивает высокую стабильность
их размеров. Такие материалы не гниют и сохраняют
высокие гидроизолирующие свойства крыши на протяжении многих лет);
■ стеклообои (стекловолокнистый нетканый материал, наклеенный на поверхность старой стены, не
только скрывает трещины и другие дефекты ее поверхности, но и придает обновленный внешний вид зданию.
Этот материал может быть также использован в новых
помещениях в качестве обыкновенных стеклообоев с
последующей их покраской);
■ напольные покрытия (Viledon  используются
в качестве несущей основы в производстве напольных покрытий с поливинилхлоридным верхним
слоем, нижнего слоя ковровой плитки и ковровых
покрытий);
■ композитные панели;
■ трубы;
■ емкости;
■ аккумуляторные батареи;
■ электронные печатные платы, которые изготавливаются из нескольких слоев стекловолокнистого холста
и стеклоткани, пропитанных эпоксидной смолой;
■ лыжи, доски для серфинга и другой спортивный
инвентарь, катера и яхты.
Во всех перечисленных областях изготовленные с
использованием нетканых материалов Viledon изделия
в полной мере отвечают предъявляемым к ним требованиям благодаря высокой стойкости к температурным
колебаниям, интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, к деформации, к механическим
нагрузкам, действующим в продольном и поперечном
направлениях.
Так, например, высокие показатели прочности и
жесткости волокнистых композиционных материалов
наряду с высокой химической стойкостью, относительно малым весом и другими свойствами сделали эти
материалы весьма привлекательными для изготовления
трубопроводов различного назначения. Применение
стеклопластиковых труб взамен металлических позволяет увеличить срок службы трубопроводов в 5 – 8 раз,
не т ка н ые м ате р иа л ы прод ук ция о боруд ование тех но логи и март /2008
21
применение нетканых материалов
отказаться от применения антикоррозионных защитных средств, уменьшить в 4 – 8 раз массу трубопровода, исключить необходимость проведения сварочных
работ. При этом остается открытым вопрос о возможности применения стеклопластиковых труб в условиях,
связанных с воздействием повышенных температур
(до 120 °С).
Выпускаемые в настоящее время трубы подразделяются на несколько классов по давлению и удельной
прочности. По индивидуальным заказам могут поставляться трубы, соответствующие по своим характеристикам промежуточным классам, а также трубы,
рассчитанные на использование в экстремальных
условиях.
Стенка трубы состоит из нескольких слоев, которые
в совокупности определяют ее общую толщину. Внутренний слой (лайнер) толщиной 0,8 – 1,2 мм обеспечивает герметичность, максимальную устойчивость к
химической коррозии, к абразивному износу, гладкость
внутренней поверхности, предотвращает образование
на ней отложений.
Промежуточный (структурный, несущий) слой
определяет механические свойства трубы, обеспечивает требуемую устойчивость всей трубы к действию
внутреннего и/или внешнего давления, а также к
внешним нагрузкам, возникающим в процессе транспортирования и монтажа, к нагрузке со стороны почвы
и со стороны потока транспортируемого вещества, к тепловым нагрузкам и т.д. Структурный слой образуется
на поверхности частично отвержденного внутреннего
слоя путем нанесения на него термореактивного, например, полиэфирного связующего, наматывания
непрерывных стеклянных нитей, нанесения коротких
стеклянных волокон и кварцевого песка. Толщина
структурного слоя рассчитывается с учетом требуемых
характеристик трубы.
Наружный слой, имеющий толщину 0,2 – 0,3 мм
или больше, служит для защиты трубы от воздействия
солнечного света, содержащихся в почве агрессивных
веществ или коррозионноактивной среды. Обычно
он состоит из полимерного материала с добавлением
(при наземной прокладке трубопровода) ультрафиолетового ингибитора для защиты трубы от воздействия
солнечного света.
Трубы на основе полиэфирных нетканых материалов, отличающиеся высокой устойчивостью к коррозии и к химическим агрессивным веществам, имеют
широкие области применения.
Композиционные волокнистые материалы могут
быть использованы также в качестве внешнего или
внутреннего покрытия для стальных труб, предназначенных для транспортирования нефти, газа, воды.
В этом случае они защищают трубы от коррозии. Для
изготовления таких композиционных материалов
применяются холсты из волокон высокого качества,
армированные расположенными с интервалом 8 или
16 мм прочными стеклонитями, образующими особое
переплетение.
22
Заключение
Основные преимущества нетканого материала
Viledon® по сравнению с другими материалами аналогичного назначения заключаются в том, что он обеспечивает:
• улучшение внешнего вида поверхности полимерных
композитных материалов, исключает опасность расслаивания внутренних слоев и выход на поверхность
поврежденных волокон;
• более долговременную защиту от:
° действующих в продольном и поперечном направлениях механических нагрузок;
° повреждений поверхности абразивными веществами;
° образования трещин, обусловленного температурными колебаниями;
° коррозии при контакте с агрессивными средами;
° деструкции связующих во внутренних слоях полимерного композитного материала;
• увеличенный срок службы изделия.
Каждый нетканый материал проходит как лабораторные, так и стендовые испытания на совместимость,
водопроницаемость, гидрофобность при контакте с
различными жидкостями (кислотами, основаниями,
водными эмульсиями и т.д.) и др. Наработанная база
данных позволяет выбрать оптимальный состав нетканого
материала практически для любой области применения и
для эффективного противодействия любой агрессивной
химической среде. На основе результатов исследований
и испытаний, проводимых в испытательном центре
компании, а также путем компьютерного моделирования
подбираются и другие требуемые для заказчика значения
эксплуатационных характеристик материала (эластичность, ползучесть, твердость поверхности и др.).
Practical application of Viledon® non-woven fabric
for composite materials
A.A. Andreyev
Impressive rates of non-woven material production and consumption
growth in many respects can be explained by expansion of their
application sphere. Non-woven materials both individually and in
combination with other components are finding now a much wider
application replacing metals, reinforced concrete and other traditional
materials providing for extension of product service life, considerable
weight gains and a number of other important advantages. One of the
most important approaches in the development of non-woven material
production includes using them as a basis for manufacture of composite
products and coatings of various applications. Non-woven materials
for this purpose are mainly produced of polyacrilonitrile, polyester and
glass fiber. Selection of fiber and fabric bonding method is dictated
by a specific application purpose of the final product. Freudenberg
Vliesstoffe KG has developed a number of various methods of composite
material manufacture using non-woven fabric Viledon® as one of its
components. A comprehensive data base allows the producer to select
an optimal composition of a non-woven material suiting practically
every application sphere and enabling this composite material to
withstand the effect of any aggressive chemical media. Based on the
results of investigations and tests carried out in the company test center
including modeling, other material operational properties that are
important for the сustomer are optimized.
нет каные мат ери алы про дукци я оборудовани е тех но логи и март /2008