К лекции - Startbase

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ
ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
ВВЕДЕНИЕ
1
Рис. 1. Схема пропиточной установки для получения препрега:
1 -вакуумный насос; 2 - вакуумная камера; 3 - нагреватель; 4 - компенсатор уровня
связующего; 5 - отжимное устройство; 6 - сушильная печь; 7 - бобина с разделительной
пленкой; 8 – рулон с готовым препрегом; 9 - калибрующее устройство; 10 - нагреватель; 11 ресивер; 12 - фильтр; 13 - вакуумный затвор; 14 - ванна со связующим; 15 - нагреватель; 16
– шпулярник с нитяным наполнителем; 17 - распределительный барабан.
2
Наибольшее практическое применение находят
следующие способы производства изделий из
армированных пластиков:
• контактное формование с укладкой пропитанного
смолой волокнистого холста на форму;
• напыление волокнисто-полимерной композиции на
поверхность формы;
• различные способы формования в закрытой форме;
• намотка пропитанного смолой волокна на форму;
• пултрузия, или формование профильных изделий
путем протяжки волокна через ванну с полимером и
калибрующую фильеру.
3
ТЕМА 1
ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ
КОНТАКТНОГО ФОРМОВАНИЯ
4
Рис. 1.1. Элементы конструкции формы и изделия при формовании ручной укладкой:
1 — форма; 2 — разделительная пленка; 3 — наружный смоляной слой;
4 — стекловолокно; 5 — ручной валик; б — смола в смеси с катализатором.
5
Рис. 1.2. Фотография рабочего места при формовании изделий из ПКМ
методом ручной укладки.
6
Рис. 1.3. Воздушная система напыления с двумя емкостями:1 — ровинг; 2 — смола с
катализатором; 3 — рубильное устройство; 4 — смола с ускорителем отверждения;
5 — уплотненный слой; б — валик; 7 — форма.
7
Физические свойства
Свойство
Формование ручной
укладкой
Напыление
Алюминий
Сталь
Матов
Ткани
1400-1800
1600-2000
1400-1600
275
7850
70-140
135-340
60-125
40-185
200-230
5,5-12,5
10-30
5,5-12,5
70
205
267-1335
1068-1602
267-1335
1335
2403
1-2
1-2
1-2
30-40
38-40
Плотность, кг/м3
Предел
прочности при
растяжении,
МПа
Модуль
упругости при
растяжении, ГПа
Ударная
вязкость
по
Изоду, Дж/м
Относительное
удлинение при
разрыве, %
8
Однородность
изделий
Сложность изделия
Квалификация
формовщика
Прочность изделий
Производительность
Способ формования
Стоимость
оборудования
Сравнительная технико-экономическая оценка различных способов
изготовления изделий из ПКМ
Ручной укладкой
1
3
3
10
9
1
Эластичной диафрагмой
под вакуумом
в автоклаве
2
3
2
1
4
6
10
6
9
7
3
4
Напылением
4
4
3
10
8
1
Намоткой волокна
6
6
10
2
4
9
7
9
9
2
2
10
Штамповка листовых формовочных материалов
10
8
7
4
9
10
Центробежное
9
7
8
3
3
6
Непрерывное, протяжкой
10
10
5
2
1
10
Впрыскиванием смолы
3
2
3
7
7
8
Литье под давлением
10
10
6
2
10
10
Покрытие оболочек
9
4
3
5
7
9
Прессование стеклонаполненой композиции
9
8
7
4
8
10
Пультрузия
Оценка в баллах: 10 — наивысшая
9
ТЕМА 2
ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ
ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ЭЛАСТИЧЕСКОЙ ДИАФРАГМЫ
10
Рис. 2.1. Вакуумное формование с эластичной диафрагмой:
1- штуцер для присоединения вакуума; 2 – плита формы; 3 – коллектор для удаления
воздуха; 4 - уплотнение диафрагмы; 5 – боковое выпускное отверстие; 6 – слой с
вентиляционными отверстиями; 7 – диафрагма; 8 – перфорированные слои; 9 –
впитывающие слои; 10 – разделительная ткань; 11 – слоистый пластик; 12 – внешний
слой; 13 – промежуточная плита; 14 – эластичная перегородка; 15 – выбрасываемый слой
11
Рис. 2.2. Формование с эластичной диафрагмой под давлением:
1 – эластичная диафрагма; 2 – крышка формы; 3 – канал для подачи сжатого газа; 4 –
боковое выпускное отверстие; 5 – канал для соединения с атмосферой или вакуумом; 6 –
композиционный материал; 7 – вертикальное выпускное отверстие.
12
Рис. 2.3. Формование с эластичной диафрагмой под давлением в прессе:
1 – верхняя плита пресса; 2 – нагреватели; 3 – камера, заполняемая сжатым газом; 4 - коллектор для
подачи сжатого газа; 5 – защитный слой из силоксанового каучука; 6 – форма; 7 – композиционный
материал; 8 – выпускное отверстие; 9 – плунжер; 10 - коллекторы для соединения с атмосферой или
вакуумом; 11 – нижняя плита пресса.
13
Рис. 2.4. Автоклавное формование с вертикальным выпускаемым отверстием:
1 – канал для соединения с атмосферой или вакуумом; 2 – плита формы; 3 – коллектор
для удаления воздуха из формы; 4 – уплотнение диафрагмы; 5 – боковое выпускное
отверстие; 6 – эластичная перегородка; 7, 8 – слои с вентиляционными отверстиями;
9 – диафрагма; 10 – промежуточная плита; 11 – перфорированный слой;
12 – впитывающие слои; 13 – разделительная ткань; 14 – выбрасываемый слой;
15 – внешний слой; 16 – слоистый пластик.
14
ТЕМА 3
ФОРМОВАНИЕ РЕАКТОПЛАСТОВ НА МАТРИЦЕ
15
Рис.3.1. Формование прессованием:
1 и 2 - нижняя и верхняя части пресс формы;
3 - листовой формовочный материал.
16
Рис. 3.2. Схема процесса формования «вспененной емкостью»:
а — форма открыта; б — форма частично закрыта; в —- форма полностью закрыта,
пенопласт сжат, смола выжимается в наружные слои;
1 — пуансон; 2 — сухой волокнистый армирующий материал; 3 — матрица;
4 — пропитанный смолой пенопласт.
17
Рис. 3.3. Термокомпрессионное формование:
1 и 2 - нижняя и верхняя части контейнера; 3 - кремнийорганическая резина; 4 –
препрег.
18
Рис. 3.4. Комбинированное формование:
1- форма; 2 - препрег; 3 - резиновые вкладыши; 4 – оболочка.
19
ТЕМА 4
ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ
ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ НАМОТКИ
20
Способы намотки можно классифицировать:
• по способу совмещения связующего и
наполнителя;
• по рисунку укладки арматуры;
• по устройству намоточного
оборудования.
21
Рис. 4.1. Схема «мокрой» намотки:
1 – шпулярник с армирующим волокном; 2 – пропиточная ванна со связующим; 3 –
отжимные ролики; 4 – вращающаяся оправка.
22
Рис. 4.2. Схема поперечной намотки:
1 — оправка; 2 — рулоны с препрегом; 3 — лепты препрега; 4 — прикатной
подогреваемый ролик; 5 — приводные ролики
23
Рис. 4.3. Схема осевой намотки:
1 — оправка; 2 — раскладчик; 3 — направляющая.
24
Рис. 4.4. Схема продольно-поперечной намотки:
1 — оправка; 2 — вертлюг; 3 — шпули; 4 -ленты продольной укладки;
5 — поперечные раскладчики; 6 — ленты поперечной намотки.
25
Рис. 4.5. Схема простой спиральной намотки:
1 - оправка; 2 - раскладчик; 3 - лента препрега.
26
27
28
ТЕМА 5
НЕПРЕРЫВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА
ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
29
Рис. 5.1. Схема процесса пултрузии.
30
Рис. 5.2. Фильера.
31
32
Рис. 5.4. Динамика роста количества пултрузионных
установок в мире.
33
Рис. 5.5. Схема формующего узла при роллтрузии
34
ТЕМА 6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОДИСПЕРСНЫХ
НАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ
СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
35
наночастицы кварца
наночастицы серебра
наночастицы платины
наночастицы оксида церия
наночастицы золота
наночастицы оксида титана
36
полимерная наноструктура
липосома
углеродная нанотрубка
дендример
модели наноструктурных образований
37
1 мкм3
109 частиц
1 нм3
Поверхность увеличивается в 1000 раз.
Большая часть непрерывной фазы (связующее,
матрица) оказывается в сфере влияния наноразмерного наполнителя.
38
Фуллерен С60
Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства
фуллеренов — фуллерен (C60), который напоминает футбольный мяч, только
микроскопический, диаметром 0,7 нм, состоящий из 20 шестиугольников и 12
пятиугольников.
39
ФУЛЛЕРЕНЫ
С540
полые внутри (пустота 20-26% объема) кластеры, замкнутая поверхность которых образована правильными многогранниками из атомов углерода.
40
Идеальная углеродная нанотрубка
протяжённая цилиндрическая структуры диаметром от одного до нескольких
десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящая из
свёрнутой в трубку гексагональной графитовой плоскости и заканчивающаяся
обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как
половина молекулы фуллерена.
41
Углеродные нанотрубки с различной хиральностью
Хиральность характеризуется двумя целыми числами (m, n), которые указывают
местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания должен
совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат. Тип строения трубки влияет на
её химические, электронные и механические свойства.
42
Многослойная углеродная нанотрубка
Структура типа «русской матрёшки»
Для всех структур многослойных нанотрубок характерно значение расстояния между соседними
графитовыми слоями, близкое к величине 0,34 нм, присущей расстоянию между соседними
плоскостями кристаллического графита.
43
На поверхности частиц монтомориллонита находятся
слои неорганических катионов.
Они придают поверхности высокую гидрофильность.
Это делает частицы несовместимыми с
органическими гидрофобными полимерами.
Использование природных частиц размером 5 – 60
мкм приводит к получению полимерных
композиций, свойства которых соответствуют
свойствам обычных дисперснонаполненных
порошками композиций с микроразмерными
наполнителями.
44
Предварительная обработка гидрофильной поверхности
силиката обеспечивает замещение неорганических
катионов
органическими,
например,
ионами
алкиламмония, и снижает полярность алюмосиликата,
делая его органофильньм и обеспечивает его лучшее
взаимодействие с полимерами.
Внедрение в межслойное пространство органических
длинноцепочечных катионов (интеркаляция) раздвигает
слои силиката.
Это обеспечивает получение наполнителя в виде
наноразмерных пластинок толщиной I нм, длиной 70 150 нм (эксфолиация).
45
Стадии диспергирования интеркалированных органическими катионами органофильных слоистых силикатов в
расплавах наполненных ими полимеров при экструдировании (1 – тактоиды, стопки с частично расслоенными
слоями; 2- тактоиды малых размеров; 3- тактоиды, полностью расслоенные до нанопластин через переход от
плоских структур (а) к наклонным (б)) и типы получаемых дисперснонаполненных композиций: расслоенные
нанокомпозиты (4), нанокомпозиты с включениями (5), микрокомпозиты (6).
46