Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Связующие для намоточных полимерных композиционных материалов 11
1.1 Типы связующих 12
1.1.1 Полиэфирные смолы 12
1.1.2 Эпоксидные смолы 15
1.1.3 Связующие на основе полиуретанов 16
1.1.4 Другие виды термореактивных связующих 19
1.2 Анализ и выбор связующего для композитов, изготавливаемых методом мокрой намотки 20
1.3 Эпоксидные связующие для изготовления армированных непрерывными волокнами композитов, получаемых методом мокрой намотки 23
1.4 Эпоксиангидридные связующие для намоточных композитов 27
1.4.1 Модификация эпоксидных связующих эпоксидными соединениями 29
1.4.2 Модификация низкомолекулярными каучуками 30
1.4.3 Модификация наполнителями 32
1.5 Объекты исследования 34
1.6 Методы исследования связующего 36
1.6.1 Определение технологических характеристик связующего 36
1.6.2 Определение характеристик отвержденного связующего 37
1.7 Экспериментальные исследования характеристик связующего 38
Глава 2 Структура стеклянных волокон 49
2.1 Современные представления о структуре стекла 49
2.2 Стеклянные волокна как основа для получения композитов 52
2.3 Влияние условий получения на свойства стеклянных волокон 54
2.4 Природа прочности стеклянных волокон 56
2.5 Влияние температуры на прочность волокон 58
2.6 Влияние внешней среды на прочность волокон 60
2.7 Сорбция воды волокнами 62
2.8 Сорбция воды базальтовыми и стеклянными ровингами 66
Глава 3 Исследование влияния влаги на свойства пластика 73
3.1 Изготовление однонаправленного композита 74
3.2 Испытания образцов композитов 77
3.2.1 Испытание на продольный изгиб 77
3.2.2 Определение прочности при межслойном сдвиге 79
3.2.3 Изучение теплофизических свойств композитов 80
3.3 Результаты экспериментальных исследований однонаправленных композитов, изготовленных на основе ровингов с разной влажностью 81
3.4 Межфазный слой в композитах 88
3.5 Влияние влаги на свойства неотвержденного связующего 91
3.6 Воздействие влаги на формирование свойств композита 93
Глава 4 Разработка установки для изготовления намоточных изделий из полимерных композиционных материалов 95
4.1 Краткий обзор технологии намотки и оборудования 95
4.2 Конструкция намоточного станка 99
4.3 Система программного управления намоточным станком 100
4.4 Изготовление модельных образцов с разными параметрами намотки и определение их влияния на характеристики пластика 110
4.5 Промышленная реализация результатов научных исследований 114
Заключение 118
Список сокращений 121
Список литературы. 122
Приложение А. Описание изобретения к патенту RU 2597811 137
Приложение Б. Акт использования результатов научных исследований термомеханических свойств полимерных композиционных материалов 138
Приложение В. Акт внедрения установки изготовления композитных изделий 139
Приложение Г. Акт использования результатов научных исследований влияния рецептурно-технологических факторов на качество стеклопластиков 140
- Эпоксидные связующие для изготовления армированных непрерывными волокнами композитов, получаемых методом мокрой намотки
- Современные представления о структуре стекла
- Результаты экспериментальных исследований однонаправленных композитов, изготовленных на основе ровингов с разной влажностью
- Изготовление модельных образцов с разными параметрами намотки и определение их влияния на характеристики пластика
Эпоксидные связующие для изготовления армированных непрерывными волокнами композитов, получаемых методом мокрой намотки
В 80-90-х годах прошлого века в СССР были разработаны и производились более 100 видов эпоксидных смол, большинство из которых использовались (или потенциально могут быть использованы) для изготовления намоточных ПКМ как в чистом виде, так и в качестве добавок в рецептуры связующих, с целью изменения технологических их свойств, а также для улучшения эксплуатационных характеристик готовых изделий [14].
В настоящее время номенклатура эпоксидных смол еще более расширилась, однако около 90 % рынка составляют эпоксидиановые смолы (диглициди-ловые эфиры бисфенола-А (DGEBA) – ЭД-20 или их многочисленные импортные аналоги). Благодаря удачному сочетанию технологических свойств в неотвер-жденном виде с комплексом эксплуатационных характеристик отвержденных продуктов и сравнительно низкой стоимостью эпоксидиановые смолы стали основным компонентом подавляющего большинства связующих, применяемых при «мокрой» намотке.
Ассортимент отвердителей, представленный на рынке, позволяет варьировать в широких пределах технологические свойства (вязкость, жизнеспособность, время отверждения, пропитывающую способность) эпоксидных связующих, а также осуществлять целенаправленное регулирование прочностных, диэлектрических, теплофизических и других показателей полимерных композитов на основе эпоксидных смол [9,14].
Для намоточных пластиков в основном применяются следующие типы отвердителей:
- аминные: низкоактивные и ароматические (Этал, Диамет Х (Куамин), 4,4-диаминодифенилметан ( Тонокс );
- металлоорганические ТЭАТ-1;
- ангидридные: изо-метилтетрагидрофталевый ангидрид (изо-МТГФА), ме-тилгексагидрофталевый ангидрид (МГГФА), метилэндиковый ангидрид (МЭА-610), хлорэндиковый ангидрид (ХЭТ-ангидрид).
При изготовлении намоточных композитов одним из важных технологических параметров, определяющих массово-геометрические и эксплуатационные характеристики изделий, является вязкость связующего [17-19]. В процессе намотки необходимо, чтобы вязкость находилась в интервале, обеспечивающем качество пропитки армирующего материала и требуемое содержание связующего в формуемой ленте. До настоящего времени не существует единой общепринятой методики выбора оптимальных условий переработки, однако накопленный опыт и анализ литературных данных позволяет утверждать, что при вязкости связующего более чем 1,5-2 Пас ухудшаются условия пропитки, а, соответственно, и качество композита. Величина вязкости зависит от температуры и времени переработки.
Поэтому наиболее важными технологическими требованиями, предъявляемыми к связующему, является низкая вязкость и способность сохранять ее на приемлемом уровне в течение длительного (несколько часов) процесса намотки, а также быстро желатинизироваться (терять текучесть) при нагреве [19]. При этом применение разного рода нереакционноспособных (инертных) растворителей в рецептуре связующего крайне нежелательно, поскольку в процессе намотки они практически не удаляются и негативно влияют на свойства отвержденного композита.
Рассмотрим класс эпоксидных связующих, отверждаемых ароматическими аминами. В качестве эпоксидной составляющей применяются диановые смолы ЭД-20, олигомеры ЭХД, УП-637 и др. Аминные отвердители: 4,41-диамино-дифенилсульфон, фенилендиамины, 4,41-метилендианилин, жидкие эвтектические смеси различных диаминов и др.
Ароматические амины значительно медленнее, чем алифатические полиамины отверждают эпоксидные смолы, что позволяет получать композиции с большей технологической жизнеспособностью. Отверждение, как правило, про 25 водят по двухступенчатому режиму: на первом этапе нагрев осуществляют при довольно низкой температуре ( 80 С) для уменьшения экзотермичности реакции, а на втором этапе термостатирование проводят при более высоких температурах – от 150 до 170 С – для полного отверждения.
Отвердители этого химического класса позволяют получать композиты с хорошими физико-механическими свойствами, повышенными тепло- и химической стойкостью [1,5,9,10].
Ароматические амины неудобны в применении, так как большинство из них – это твердые порошкообразные вещества, которые порой имеют плохую совместимость с эпоксидными смолами. Хотя жидкие эвтектические смеси и лишены этого недостатка, но связующие на их основе обладают высокой вязкостью. При нанесении на волокно в пропиточной ванне связующие подогревают с целью снижения вязкости, что влечет за собой значительное сокращение времени жизнеспособности.
Однако основным недостатком этого класса отвердителей является их высокая токсичность, из-за которой в последние годы в США и странах Европы их применение резко ограничено. Постепенно они заменяются более дорогими, но менее токсичными модифицированными аминами, либо отвердителями других видов.
В технологиях намоточных пластиков, несмотря на указанные недостатки, ароматические амины все же находят применение для изготовления ответственных изделий, а также в технологиях намотки и прессования препрегов [19,20].
В качестве отвердителя каталитического действия для горячего отверждения эпоксидных смол достаточно широкое применение находит ТЭАТ-1 (смесь 1-(бутокси)-триэтаноламинтитаната и 1-(бис-(2-оксиэтил)-1-аминоэтокси) триэта-ноламинтитанат). ТЭАТ представляет собой густую вязкую жидкость бурого цвета, которая удовлетворительно смешивается со смолой, обеспечивает связующему длительную жизнеспособность. Продукты отверждения имеют достаточно высокую прочность, неплохую тепло- и химическую стойкость. Наиболее известное связующее, где отвердителем является ТЭАТ – это ЭДТ-10 (ЭД-20 – 100 м.ч., ДЭГ-1 – 10 м.ч., ТЭАТ – 10-15 м.ч.), которое применяется для изготовления намоточных композитов на основе органических арамид-ных волокон [5,19,21]. Для получения стеклопластиков это связующее используется в меньшей степени, поскольку при сходных с ангидридыми связующими свойствах отвержденных пластиков оно имеет худшие технологические свойства (высокую вязкость), что требует более высоких температур переработки. Применяется для изготовления сверхлегких баллонов давления на основе арамидных и углеродных волокон, используемых в аэрокосмической технике.
В технологиях намотки, а также для получения пултрузионных однонаправленных композитов широко используются ангидридные системы отверждения эпоксидных смол. Получаемые после отверждения полимеры обладают высокими прочностными, теплофизическими, диэлектрическими показателями. Кроме того, простота в обращении с ангидридами и высокая реакционная способность делают их более выгодными, чем амины, поскольку они образуют смеси с низкой вязкостью, обладают низкой летучестью, позволяют увеличить время переработки композиции, процессы отверждения протекают с меньшим выделением тепла и сопровождаются меньшей усадкой [9,10,12].
Ангидриды – отвердители горячего отверждения. От строения ангидрида зависят его реакционная способность и структура получаемого эпоксиполимера, и соответственно, механические свойства, термостабильность, теплостойкость.
Индивидуальные ангидриды – это, как правило, кристаллические соединения с невысокой температурой плавления, некоторые из них достаточно токсичны. В расплавленном состоянии хорошо совмещаются с эпоксидными смолами, при этом сильно понижают вязкость композиций. Однако индивидуальные ангидриды чаще используют для изготовления жидких отвердителей. Преимущества жидких ангидридных отвердителей очевидны: они сохраняют физико-химические, технологические показатели и отверждающую способность и в смеси со смолами дают низковязкие агрегативно-устойчивые композиции. Жидкие ангидриды получают каталитической изомеризацией тетрагидрофталевого ангид 27 рида. Наибольший интерес представляют изомеры тетрагидрофталевого, метил-тетрагидрофталевого ангидрида, их смеси, метилгексагидрофталевый, метилэн-диковый и др. ангидриды.
Чаще всего ангидридные отвердители применяются совместно с ускорителями, оказывающими влияние не только на технологические свойства, но и на эксплуатационные характеристики.
Таким образом, исходя из всестороннего анализа рассмотренных эпоксидных систем, применяемых для мокрой намотки армированных композитов, как то технологичность, экологичность, комплекс свойств отвержденных продуктов, а также принимая во внимание стоимость компонентов связующего, наиболее предпочтительным, по нашему мнению, является эпокиангидридное связующее.
Современные представления о структуре стекла
Структура стекла на атомарном уровне была предметом многих теоретических рассуждений и экспериментальных исследований в течение почти столетия. Однако до сих пор все еще нет четкой концепции атомно-молекулярной структуры стекла. Эта трудность исходит из того факта, что, наряду с существованием определенного порядка на атомарном уровне, в стекле проявляется хаотичность на макромолекулярном уровне (более 1 нм).
Для объяснений этого Лебедев А.А. в двадцатом году прошлого века высказал предположение о наличии в стекле «кристаллитов» [3, 66, 67]. Эти кристаллиты были по существу очень малых размеров, состоящих из десятков атомов, которые объединялись случайным образом. В 1955 году он высказал предположение о сочетании в структуре стекла кристаллитов и неупорядоченных областей. В связи с развитием экспериментальных методов уменьшался максимально возможный размер этих «кристаллитов», в конечном итоге, до порядка одной-полутора элементарных ячеек, что привело к созданию Захариасеном своей случайной сетевой модели [3, 68-70].
Захариасен предполагал, что стекло представляет собой непрерывную трехмерную сетку SiO4 тетраэдров, в центре которых находятся атомы кремния, а по углам – атомы кислорода. Тетраэдры связаны между собой общими атомами кислорода, каждый из которых принадлежит двум тетраэдрам (рисунок 12). В отличие от кристаллов, сетка стекла несимметрична и не обладает периодичной повторяемостью расположения его элементов.
Тетраэдры имеют тенденцию к образованию объемных кольцевых структур, самая распространенная из которых содержит шесть атомов Si и шесть атомов O. Большие вариации в углах связи Si-O-Si в трехмерной структуре могут давать кольца, которые содержат от трех до десяти Si-O связей. Соответственно малые кольца будут создавать более напряженные структуры, и, если они расположены на поверхности, то будут более активными к внешнему воздействию, чем, к примеру, шестичленные. Такие напряженные структуры, случайным образом расположенные на поверхности стекла, будут в значительной мере влиять на характер адгезии и, как следствие, на межфазную область при взаимодействии с полимерной матрицей.
Так, однокомпонентные стекла представляют собой непрерывный трехмерный каркас из тетраэдров или треугольников. В стеклах сложного состава между кислородными полиэдрами существуют пустоты, в которых в случайном порядке распределены ионы-модификаторы (рисунок 13) [70].
Захариасен поделил оксиды с точки зрения их роли в образовании структуры стекол на группы. Основные – стеклообразователи (В203, Si02, Ge02, Р205, As203 и т.д), непосредственно формирующие структуру стекла. Щелочные и щелочноземельные элементы, существующие в виде катионов, обычно являются модификаторами структурной решетки, вносят искажения во взаимное расположение SiO4-тетраэдров, что приводит к значительному изменению физических свойств стекол. Термическое расширение и плотность увеличиваются, в то время как вязкость уменьшается. Избыточное содержание атомов щелочных металлов может приводить к уменьшению твердости, прочности, к ухудшению электрических свойств, снижению химической стойкости. Атомы в третьем столбце таблицы Менделеева (например В, Al) могут принимать участие в создании структуры стекла в координации с тремя или четырьмя атомами кислорода.
Особенностью базальтовых стекол, отличающих их от других, является сложность и вариативность состава, обусловленная широким разнообразием исходных пород, применяемых для их получения [71-74]. В общем, состав базальтового стекла можно охарактеризовать как многокомпонентное алюмосиликатное железосодержащее с малым содержанием щелочных металлов. В результате многочисленных исследований по плавлению горных пород были выработаны требования к исходному сырью, определяющие его пригодность для выработки тонких непрерывных или штапельных волокон. Наличие в базальтовом стекле примесей, не свойственных обычному алюмоборосиликатному стеклу, в первую очередь оксидов железа (до 15 % и выше), а также титана, марганца, серы, фосфора и др. и определяет различие в свойствах получаемых из них волокон. Так, базальтовое волокно обладает более высокой термической и химической устойчивостью к агрессивным кислотным и щелочным средам, чем его ближайший аналог – стекловолокно.
Известно, что железо в стеклах может существовать в различных формах [71, 72, 75]: Fe2+ является модификатором, ион Fe3+ играет стеклообразующую роль, кроме того, могут присутствовать коллоидно-дисперсные оксиды и ферриты (FeO, Fe2O3, MgFe2O4).
Дальнейшее развитие разных гипотез строения стекла привело к созданию новой теории, которая позволила утверждать, что в непрерывной беспорядочной сетке стекла существуют отдельные области наибольшей упорядоченности и различные виды неоднородностей. Так, например, при действии соляной кислоты на стекла некоторых составов Тернер экстрагировал щелочные компоненты и при этом получил остаточный пористый «скелет» из кремнекислоты, сохраняющий форму исходного изделия [76]. Гребенщиков, изучая химическую устойчивость стекол, также пришел к выводу, что стекло построено из прочного кремнеземистого скелета, пропитанного различными силикатами щелочных и щелочноземельных металлов [76].
Это послужило основой для развития наиболее распространенной в настоящее время гипотезы неоднородного строения стекла.
В настоящее время стекла сложного состава рассматривают как взаимный раствор различных структурных образований, среди которых могут находиться и такие, состав которых отвечает определенным химическим соединениям.
Результаты экспериментальных исследований однонаправленных композитов, изготовленных на основе ровингов с разной влажностью
Считается общепризнанным, что эксплуатационные характеристики композитов обеспечивают три составляющие: армирующие волокна, матрица и их взаимодействие на границе раздела – межфазный слой. Каждая из этих составляющих, как в отдельности, так и взаимосвязано, вносит свой определенный вклад в структуру и является важным фактором в формировании качественного композита [109].
Поэтому в работе выбраны такие методы испытаний, которые позволили бы установить воздействие влаги на эти три составляющие композита. Так, определение прочностных характеристик предполагает оценить состояние волокна, прочность на межслоевой сдвиг показывает состояние межфазного слоя, а термомеханическая кривая определяется полимерной матрицей.
Исследование физико-механических свойств однонаправленных композитов, изготовленных с использованием ровингов с разным содержанием влаги, проводили методом продольного изгиба. На рисунках 25-28 приведены результаты испытаний прочности при продольном изгибе и модуля упругости базальтопластика и стеклопластика в зависимости от содержания влаги ровинга.
Из представленных данных видно, что наименьшую прочность имеют композиты, изготовленные из ровингов с максимальным содержанием влаги (которые были выдержаны в условиях с относительной влажностью 97 % до насыщения). Большую прочность имеют композиты, полученные из ровингов, хранящихся в стандартных условиях (с влажностью 0,16 (0,06 ) %) и максимальную – высушенные под вакуумом. Изменения прочности пластиков относительно «стандартных» не велики и составляют порядка 10 % в меньшую сторону для увлажненных ровингов, и в большую – для высушенных при разных условиях. При этом сохраняется тенденция: чем меньше воды содержится на поверхности и в структуре волокна, тем больше прочность.
Зависимость модуля упругости композита от влагосодержания ровинга имеет несколько иной характер. Заметное повышение модуля упругости обнаруживается лишь у пластиков, изготовленных из ровингов, высушенных в условиях более высоких температур в вакууме, когда уже из волокна удаляется внутрикри-сталлитная влага, в то время как остальные три образца, как базальтопластика так и стеклопластика, показали значения, близкие между собой и отличающиеся лишь на величины, сопоставимые с точностью измерения.
Экспериментальные результаты по исследованию воздействия влаги на прочность пластиков при межслойном сдвиге показаны на рисунках 29, 30, из которых следует, что вода, находящаяся на волокне, практически не влияет на адгезию связующего к наполнителю. Все исследованные композиты показали примерно одинаковую прочность на уровне 70 МПа, различия сопоставимы с точностью измерений. Представленные данные не подтверждают бытующее мнение о том, что вода взаимодействует с функциональными группами адгезива и подложки на границе раздела фаз, нарушая адгезию [110].
На рисунках 31, 32 представлены термомеханические кривые базальтопластика и стеклопластика, изготовленных из ровингов с различной влажностью, полученные при статическом изгибе по методу Мартенса образцов, испытывающих напряжениее 25 МПа. Из приведенных данных следует, что независимо от содержания влаги для обоих композитов кривые имеют практически идентичный характер. До температуры 110 С значительных изменений не наблюдается, что свидетельствует о стабильности механических свойств композитов. В диапазоне температур 120-145 С под воздействием нагрузки идет интенсивная деформация образцов, и далее – снова область стабильности. Область интенсивной деформации и показывает переход связующего в композите из стеклообразного состояния в эластическое [111].
Для более точного определения температуры стеклования полимера по термомеханической кривой можно воспользоваться широкоизвестным способом графического дифференцирования, который применяется для обработки экспериментальных кривых, например, при динамическом механическом анализе. За температуру стеклования принимают максимум производной. В качестве примера на рисунке 33 приведена термомеханическая кривая базальтопластика, изготовленного из ровинга с влажностью 0,06 %, и результат дифференцирования.
Значения температур стеклования базальтопластиков и стеклопластиков, изготовленных из ровингов с различным влагосодержанием, которые были получены по максимуму дифференциальных кривых, примерно одинаковы и находятся в диапазоне 136-139 С (различия не существенны и укладываются в погрешность определения).
Теплостойкость эпоксидного связующего ЭДИ чувствительна как к рецептурным, так и к технологическим факторам, и любое отрицательное воздействие приводит к созданию дефектов в структуре пространственной сетки полимера, что неминуемо сказывается на температуре стеклования. В данном случае влияние присутствия воды и (или) ее отсутствия в ровинге при изготовлении композитов на полимерную матрицу не зафиксировано.
Изготовление модельных образцов с разными параметрами намотки и определение их влияния на характеристики пластика
Для исследования влияния различных параметров намотки на характеристики ПКМ были изготовлены пластины однонаправленного пластика согласно межгосударственного стандарта ГОСТ 33349-2015, из которых вырезали образцы необходимого размера для прочностных испытаний, не менее 5 шт. на каждое испытание. Армирующим материалом служил базальтовый ровинг РБН 13-1200-4С, изготовленный заводом ТБС (Якутия, г. Покровск). В качестве матрицы использовалось связующее ЭДИ (ЭД-22/ИМТГФА/УП-606/2 в соотношении 100/85/1). По окончании намотки оправку зажимали в форму и ставили на отверждение в сушильный шкаф. Отверждение проходило по следующему режиму: 125 С (30 мин), затем 150 С (2 ч).
Из полученных пластин были нарезаны плоские образцы с длиной 149,5-151 мм, шириной 12,5-13,5 мм, толщиной равной толщине пластины 2,5-2,8 мм, которые испытывались на продольный изгиб. Плотность определена на пластинах 5х5 см с толщиной, равной толщине изделия, методом гидростатического взвешивания согласно ГОСТ 15139-69. Количество связующего в пластике определялось методом выжигания по ГОСТ6943.8-79, то есть определялась массовая доля веществ, удаляемых при прокаливании при 650 С в течение 30 мин. Определение кажущегося предела прочности при межслойном сдвиге методом испытания короткой балки проведено по ГОСТ 32659-2014.
Для исследования влияния технологических режимов намотки на свойства композитов были выбраны следующие параметры: температура связующего при пропитке (Тсв), скорость протяжки ровинга через тракт намотки (V) и натяжение ровинга. Результаты определения характеристик полученного однонаправленного композита в зависимости от режимов намотки приведены в таблице 8.
Из данных, приведенных в таблице 8, можно увидеть, как температура связующего, и как следствие, его вязкость, влияет на качество получаемого композита. Вязкость связующего при температуре 30С – 0,5 Пас, при 50С – 0,2 Пас, при 70С – 0,13 Пас. Соответственно при минимальной температуре вязкость связующего наибольшая и оно хуже проникает внутрь межволоконного пространства ровинга во время пропитки, оставляя в наматываемой ленте большое количество воздуха [133, 134], который впоследствии не полностью удаляется и капсулируется в структуре, отчего пластик оказывается с низким содержанием связующего и высокой пористостью. Аналогично, наименьшая пористость и большее содержание связующего получены при 70 С. На механические характеристики композита (прочность при изгибе и модуль упругости), а также на межслоевую прочность влияния вязкости практически не прослеживается.
Как было показано ранее, чем больше температура, при которой находится связующее в процессе намотки, тем быстрее нарастает вязкость и сокращается время, при котором оно должно быть переработано. Так для 70 С жизнеспособность составляет 1,5-2 ч. Поэтому более предпочтительной по реологии является температура 50 С, которая и была выбрана для дальнейших экспериментов. При 30 С несмотря на длительную живучесть и исходную невысокую вязкость связующего, пластик получается излишне пористым.
С увеличением скорости протяжки ровинга через тракт намотки наблюдается снижение количества связующего в пластике, уменьшается его плотность, несколько вырастает пористость, прочность также уменьшается. Видимо, при увеличении скорости намотки ровинг хуже пропитывается связующим, оно не успевает проникать вглубь жгута, что и приводит к ухудшению качества композита [135]. Наиболее качественный композит был получен при наименьшей скорости движения ровинга (5 м/мин), однако на практике, когда вмешивается фактор производительности оборудования, необходимо делать рациональный выбор между качеством и скоростью намотки. И все же намотка изделий при скоростях выше 10 м/мин нежелательна.
Увеличение натяжения ровинга при намотке приводит к возрастанию плотности пластика, уменьшению количества связующего и ухудшению прочностных характеристик. Вероятнее всего, ровинг, проходя через тракт, повергается чрезмерному деформированию, часть моноволокон истирается и теряет прочность, что отрицательно сказывается на физико-механических свойствах композита. К тому же, во время опытных работ по исследованию влияния натяжения было замечено излишнее «пушение» ровинга и ломкость отдельных моноволокон. Поэтому впоследствии в конструкцию установки намотки были внесены изменения, касающиеся минимизации повреждающего воздействия на ровинг при его прохождении через направляющие и пропитывающие ролики.
Таким образом, на примере изготовления однонаправленного композита и исследования его свойств были определены основные технологические параметры процесса намотки, и изучено их влияние на свойства получаемого пластика.
Разработанная установка «мокрой» намотки с числовым программным управлением, построенным на базе персонального компьютера, является важным исследовательским инструментом, позволяющим изготавливать композиты с требуемым набором характеристик, для различных целей области материаловедения композитов.
Конструктивные и технологические решения, примененные в описанной установке намотки, могут быть полезны при разработке промышленных станков, как малого, так и большого классов. Элементы электрических схем, совместимость их с компьютером, настройка и отладка, а также программное обеспечение могут с минимальной доработкой служить прототипом для большинства намоточных станков, или другого оборудования, где требуется программное управление, в т.ч. для 3-D технологий.
Установка намотки используется в ИПХЭТ СО РАН в научных исследованиях как для отработки технологических режимов, схем армирования, конструкции, так и для опытного изготовления малогабаритных изделий.
Установка позволяет методом «мокрой» намотки изготавливать плоские и полые трубчатые изделия, с вариацией основных параметров намотки: шаг, угол укладки армирующего материала, его натяжение, скорость намотки, количество слоев, схема армирования и др. В лаборатории материаловедения минерального сырья изготовлены образцы материалов с улучшенными свойствами, макеты и малогабаритные изделия в виде пластин, труб и баллонов с различной схемой армирования на основе стеклянного, базальтового, углеродного ровингов, органо-волокон и эпоксидных связующих.
Не менее важным представляется применение компьютерной системы управления при разработке и отладке комплекса исполняющих, управляющих программ для создания новых композиционных материалов и изделий.
С помощью установки был проведен комплекс экспериментальных работ, позволивший реализовать и запатентовать способ определения механических характеристик трубчатых изделий [136].
Сущность способа [136] заключается в формовании полого цилиндрического изделия с требуемым расположением армирующего материала, разрезке его вдоль оси, последующей развертке на плоскость, фиксации образца в плоской форме и отверждении по заданному режиму. Для определения механических характеристик из отвержденного листа вырезают в продольном или поперечном направлении образцы в виде пластин (или лопаток) с необходимыми для каждого метода испытаний размерами, с толщиной равной толщине листа. Определение характеристик композитов проводят известными методами. Предпочтение реко 114 мендуется отдавать методу продольного изгиба [102] для получения наибольшего количества параметров в одном испытании: прочности, модуля упругости и предельной деформации.
Предлагаемый способ прошел апробацию при исследовании однонаправленных пластин толщиной 2-4 мм, полученных разверткой из трубчатых изделий на основе базальтового непрерывного ровинга и эпоксидного связующего. Содержание связующего в композите составляло 19-24 % по массе. При испытаниях на продольный изгиб получены следующие результаты: модуль упругости 45100 МПа, прочность 1490 МПа, предельная деформация 0,034, разрушение произошло в средней рабочей части образца, вне зоны действия захватов. Характеристики образцов, изготовленных в лабораторных условиях, по своим свойствам соответствуют промышленно изготавливаемым композитам.
Таким образом, преимущества предлагаемого способа заключаются в его универсальности, снижении трудоемкости испытаний и повышении точности (достоверности) определения механических характеристик, которые подтверждены экспериментальным путем. Предложенный метод применяется для исследований свойств намоточных композитов.