Содержание к диссертации
Стр.
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ. 6
ВВЕДЕНИЕ. 8
1. ОБЗОР МЕТОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ АРМИРОВАННЫХ
ТЕРМОПЛАСТОВ НАМОТКОЙ. 13
Характеристика технологических процессов с преднамоточной пропиткой. 15
Характеристика технологических процессов с посленамоточной пропиткой. 23
1.2.1 Посленамоточная пропитка расплавом матричных
волокон. 23
1.2.2 Посленамоточная пропитка мономерами. 28
1.3 Характеристика принципиальной возможности совмещения
основных операций намотки. 29
1.4 Основные задачи по разработке и совершенствованию
технологического процесса волоконной одностадийной намотки
армированных термопластов. 31
2. МАТЕРИАЛЫ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. 37
Материалы . 37
Экспериментальное обеспечение. 41
Методы исследования. 51
Определение температуры плавления капронового моноволокна. 51
Нанесение модификаторов на поверхность армирующих нитей. 52
Определение содержания компонентов в материале
и расчёт пористости. 53
Растровая электронная микроскопия. 55
Подготовка образцов для растровой электронной микроскопии. 56
Изготовление кольцевых образцов. 57
Метод озонолиза. 58
Стандартные методики. 60
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛОКОННОЙ ОДНОСТАДИЙНОЙ
НАМОТКИ. 62
Модель нагрева ровницы. 64
Модель пропитки и монолитизации. 70
Взаимосвязь параметров физико-математической модели. 80
4. МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ВОЛОКОННОЙ ОДНОСТАДИЙНОЙ НАМОТКИ. 95
4.1 Классификация технологических параметров одностадийной
намотки. 96
4.2 Влияние кинематических параметров на физико-механические
характеристики AT. 96
Влияние скорости намотки. 96
Влияние скорости поперечного перемещения материала. 100
4.3 Влияние силовых технологических параметров на
физико-механические свойства AT. 100
Влияние усилия прижима фиксирующего ролика. 100
Влияние усилия прижима прикаточного ролика 103
Влияние усилия натяжения. 106
4.4 Влияние температурных параметров на
физико-механические характеристики AT. 107
4.4Л Влияние температуры горячего воздуха на
физико-механические характеристики AT. 108
4.4.2 Влияние температуры фиксирующего
ролика на физико-механические характеристики AT. 109
Влияние температуры прикаточного ролика на физико-механические характеристики AT. 110
Зависимость температуры воздуха от расстояния до сопла обогревателя. 111
Изменение температуры материала при
увеличении толщины получаемого изделия. 112
Влияние изменения объёма армирования на свойства AT. 113
Влияние порядка распределения волокон на свойства AT. 116
Заключение. 117 ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА AT В ИЗДЕЛИЯХ, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ ВОЛОКОННОЙ ОДНОСТАДИЙНОЙ НАМОТКОЙ. 147
5.1 Качество изделий в показателях назначения. 147
Влияние аппретирования стекловолокон на механические свойства пластика. 149
Влияние промежуточных слоев на границе раздела фаз. 153
5.1.3 Влияние технологических условий одностадийной
намотки изделий на формирование межфазной зоны
поликапроамидных стеклопластиков. 156
5.1.4 Механические свойства труб с различной схемой
армирования. 160
5.2 Оценка совершенствования качества изделий в
экономических показателях. 162
5.2.1 Оценка относительного снижения трудоёмкости
производства изделий при одностадийной намотке. 163
5.2.2 Качественная оценка возможностей снижения
технологической себестоимости изделий. 165
5.3 Заключение. 166
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. 172
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ. 183
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 186 ПРИЛОЖЕНИЯ.
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.
ПКМ - полимерный композиционный материал
AT - армированные термопласты
ТКМ - термопластичные композиционные материалы
ТП - технологический процесс
ПКА - поликапроамид
ПЭЭК - полиэфирэфиркетон
ПП - полипропилен
ПЭ - полиэтилен
ПСФ - полисульфон
КЛТР - коэффициент линейного термического расширения
ДЦУ - продукт конденсации дициандиамида с формалином
ОС-20 - смесь полиэтиленгликолевых эфиров высших жирных спиртов
АГМ - аминопропилтриэтоксисилан
ЭС - эпоксисилан
Тпл. - температура плавления
Ткип. - температура кипения
ПДК - предельно допустимая концентрация
цн - скорость намотки
h - толщина
р - плотность
Мнап/ Мсв - массовое содержание наполнителя /связующего
VHan / VCB - объёмное содержание наполнителя /связующего
Vnop - объёмное содержание пор
Ор - прочность при растяжении
на волокно - прочность в пересчёте на волокно
Ер - модуль упругости при растяжении
є - относительная деформация
7 '
<уизг - прочность при изгибе
^сдв - прочность при сдвиге
Рф. - усилие прижима фиксирующего ролика
РпР. - усилие прижима прикаточного ролика
N - натяжение волокон
Vap. - объём армирования
# 8
Введение к работе
Объёмы применения армированных термопластов (AT) в различных областях техники в мире неуклонно растут. Это объясняется тем, что AT имеют целый ряд выдающихся эксплуатационных, технологических и экологических преимуществ по сравнению с термореактивными- аналогами. Сюда следует отнести, в первую очередь, высокие значения деформативности, вязкости разрушения, ударной прочности. Кроме того, AT отличаются высокой стойкостью к агрессивным средам, повышенными диэлектрическими и триботехническими свойствами, неограниченной жизнеспособностью препрегов и полуфабрикатов, дают возможность значительно сокращать время технологического цикла. Важными преимуществами являются также возможность вторичной переработки отходов AT, локального устранения дефектов, быстрой сборки элементов конструкций из AT при помощи сварки, а также экологическая чистота производства.
Однако темпы их внедрения не всегда удовлетворительны. Поэтому в настоящее время над разработкой и совершенствованием AT с заданными свойствами, а также над расширением их применения в различных областях техники работает большое отечественных и зарубежных исследователей.
Одной из основных проблем, сдерживающих применение AT и не позволяющих полностью реализовать их физико-механические свойства в изделиях, является неэффективность переработки способами, разработанными ранее для отверждающихся армированных пластиков. Наиболее полно это проявляется на примере намотки, которая изначально предназначалась для формирования заготовок изделий из препрегов в «сухом» или «мокром» вариантах исполнения.
Попытки полностью воспроизвести технологические процессы (ТП), основанные на известных вариантах намотки при использовании армированных термопластов либо теряют смысл (например, из-за упразднения операции отверждения при автоклавном или ином формовании), либо нецелесообразны из-
за существенного отличия технологических возможностей термопластичных и отверждающихся связующих. Вместе с тем, продолжаются попытки применять прогрессивный способ намотки для формования изделий из AT, оставляя при этом незыблемым принцип его осуществления, то есть, изготавливая сначала препреги в качестве исходного полуфабриката.
Однако высокая вязкость расплава термопластов, по сравнению с термореактивными связующими, является серьёзным препятствием для пропитки армирующего наполнителя. Проблему при изготовлении препрегов решают во всём мире различными способами, но все они имеют весьма существенный недостаток в том, что в ходе ТП предопределяют неоднократное воздействие повышенной температуры и давления на компоненты AT, вследствие чего происходит ухудшение характеристик материала в изделии. Кроме того, к недостаткам таких ТП следует отнести продолжительное время технологического цикла, большие энергозатраты, необходимость в дополнительных средствах технического оснащения и высокую материалоёмкость производства.
Вместе с тем, некоторые из отмеченных недостатков были устранены, например, при прессовании, применением твердофазного совмещения компонентов AT на основе принципов «волоконной технологии». Нами было сделано предположение, что распространение твердофазного совмещения компонентов на намотку позволило бы реализовать и при переработке AT такие её достоинства, как неограниченность размеров изделий, высокую производительность, возможность автоматизации технологических операций и наиболее полную реализацию свойств армирующей фазы за счёт регулируемого натяга. Таким образом, средствами материаловедения удалось бы решить актуальные проблемы современного машиностроения.
В связи с этим целью диссертации явилась разработка и исследование волоконной технологии намотки армированных термопластов, совмещающей в одной технологической операции, выполняемой на оправке, процессы пропитки
армирующих волокон, монолитизации композиционного материала и формования изделия.
В ходе выполнения работы получены следующие научные результаты:
создана волоконная технология намотки армированных термопластов, совмещающая в одной технологической операции, выполняемой на оправке, процессы пропитки армирующих волокон, монолитизации композиционного материала и формования изделия.
предложена физико-математическая модель волоконной намотки, учитывающая динамический характер осуществления пропитки армирующей фазы расплавом термопластичных волокон;
- установлены функциональные зависимости структуры и физико-механических
свойств армированных термопластов от технологических параметров
волоконной намотки, распределения волокон на оправке, изменения объёма
армирования и регулирования межфазного взаимодействия;
- предложена классификация современных методов формования изделий из AT с
применением намотки, подразделяемых по признаку очередности выполнения
операции пропитки армирующей фазы.
К практическим результатам выполненной работы относятся:
создание и успешное испытание в лабораторных условиях конструкции оригинальной намоточной установки, оснащённой приспособлениями для формования изделий волоконной намоткой с заданными схемами армирования AT;
разработка типовой технологической операции формования трубчатых изделий из AT волоконной намоткой, защищенной патентом РФ;
получение образцов намотанных изделий из стеклополикапроамида с пористостью 3 об. %, коэффициентами реализации свойств армирующей фазы по прочности при растяжении - 107 %, по модулю упругости - 101%;
- разработка технико-экономического обоснования трудо-, материале- и
энергосбережения как основы для снижения себестоимости изделий из AT в 2
- 3 раза и уменьшения трудоёмкости на 20 % по сравнению с традиционной
технологией.
Теоретические и экспериментальные исследования выполнены автором в
«МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского и на базе Лаборатории армированных
пластиков ИХФ РАН им. Н.Н. Семёнова. Настоящая работа явилась частью
исследований, проводимых в лаборатории при разработке темы «Поисковые
исследования по созданию перспективных полимерных композиционных
материалов» (шифр темы «Угамак - 2 - АН»). Заказчиком темы является СПП
РАН и в/ч 57275, Головным исполнителем - ИХФ РАН. Основанием для работы
является Постановление Правительства РФ № 227-15 от 2,03.96 года.
Результаты работы докладывались на нескольких научных конференциях:
XXII, XXIII, XXIV, XXV Гагаринские чтения;
Научно-технические конференции «Новые материалы и технологии» (1997, 1998 год);
Научно-технические конференции ИХФ РАН им. Н.Н. Семёнова (1997, 1998, 2000 год);
Международной научно-технической конференции «Слоистые композиционные материалы - 98» в г. Волгограде (1998 год);
Международной научно-технической конференции «Славполиком - 99» в г. Киеве (1999 год);
9-ой международной научно-технической конференции «Механика и технология композиционных материалов» в г. Софии (Болгария, 2000 год);
а также публиковались в журналах:
«Пластические массы» № 3, 1997;
«Конструкции из композиционных материалов» № 1, 2000;
сборниках тезизов и докладов вышеназванных конференций.
Кроме того, работа защищена патентом № 2152306 «Способ изготовления изделий из термопластичных композиционных материалов методом намотки» от 10 июля 2000 года.
Основное содержание работы отражено в 14 работах (в том числе 3 статьях), приведённых в общем списке литературы.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка литературы и Приложения. Общий объём работы 198 страниц, в том числе 145 страниц машинописного текста, 62 рисунка, 34 таблицы. Список литературы включает 122 наименования. Кроме того, имеется Приложение из 15 разделов.
