5.5 Композитные материалы, технологии изготовления стеклопластиковых оболочек

Композитные материалы состоят из матрицы и упрочнителя. Спектр искусственных композиционных материалов чрезвычайно широк. При этом следует отметить, что практически все природные органические материалы являются композитными. В качестве упрочнителей используются различные прочные и сверхпрочные волокна: металлические, стеклянные, углеродные, органические и т.д. В качестве связующих могут выступать металлы (например, сталь армированная кварцевыми волокнами), керамические материалы (например, бетон, армированный стальными волокнами - сталефибробетон), пластмассы (стеклотекстолит, гетинакс, ДВП и т.д. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать композитные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композитные материалы с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Более 100 лет выпускаются в виде листов такие композитные материалы как паронит, фибра, фанера, гетинакс, текстолит и т.д. В настоящее время наиболее широкое распространение, особенно в области макетирования, получил стеклопластик.

Стеклопластики - композитные материалы, состоящие из стеклянного наполнителя и синтетического полимерного связующего. Наполнителем служат в основном стеклянные волокна в виде нитей, жгутов (ровингов), стеклотканей, стекломатов, рубленых волокон; связующим - полиэфирные смолы, феноло-формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, и др. Для стеклопластиков характерно сочетание высоких прочностных, диэлектрических свойств, сравнительно низкой плотности и теплопроводности, высокой атмосферо-, водо- и химической стойкости. Механические свойства стеклопластиков определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим. Температурные ограничения устойчивости стеклопластика определяются связующим. Стеклопластки на основе полиэфирных смол можно эксплуатировать до 60…150С, эпоксидных - до 80…200 C, феноло-формальдегидных - до 150…250 С, полиимидов - до 200…400 С. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают стеклопластики, содержащие ориентированно расположенные непрерывные волокна. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков. Технологически выгодно в качестве армирующих элементов стеклопластика использовать стеклоткань или стекломат.

Изделия из стеклопластиков с ориентированным расположением волокон изготавливают методами намотки, послойной выкладки или протяжки с последующим автоклавным, вакуумным или контактным формованием либо прессованием, из пресс-материалов - прессованием и литьём.

Стеклопластики применяют как конструкционный и теплозащитный материал при производстве корпусов лодок, катеров, судов и ракет, кузовов автомобилей, цистерн, радиопрозрачных обтекателей антенн радиолокаторов самолетов и ракет, лопастей вертолётов, коррозионностойкого оборудования и трубопроводов, небольших зданий, бассейнов для плавания и др., а также стеклопластик используется для изготовления печатных плат в радиоэлектронике. В качестве связующих при изготовлении оболочек из стеклопластика используются полиэфирные смолы, которые в зависимости от марки смолы могут придать изделию особые свойства (прозрачность, пожаростойкость и т.д.).

Полиэфирные смолы полимеризуются при добавлении следующих двух компонентов:

Ускоритель УНК-2 (раствор нафтената кобальта в стироле) - 2-5 масс. частей к 100 масс. частям смолы.

Отвердитель ПМЭК (пероксид метилэтилкетона) или ПЦГ (пероксид циклогексанона)-  2-6 масс. частей к 100 масс. частям смолы. 

Смолы эпоксидно-диановые ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22 применяются при изготовлении клеевых и заливочных композиций в электротехнике, строительстве, промышленном производстве, как связующее для производства стеклопластиковых изделий. Смолы в отверждённом состоянии имеют повышенную хрупкость, поэтому для увеличения эластичности (морозостойкости) и снижения хрупкости отверждённой композиции необходимо вводить пластификаторы (дибутилфталат, полиэфиры) или алифатические эпоксидные смолы (ДЭГ-1). Алифатическая эпоксидная смола ДЭГ-1 (диглицидиловый эфир жирных кислот) увеличивает эластичность и морозостойкость композиции при добавлении к эпоксидно-диановым смолам в объёме до 20%. Отверждается ДЭГ-1 стандартными отвердителями для эпоксидных смол.

Отвердителями для эпоксидных смол могут являться:

Полиэтиленполиамин (ПЭПА) - жидкость от светложёлтого до тёмнокоричневого цвета с сильным запахом нашатыря. Широко используемый отвердитель холодного отверждения. Применяется при температуре окружающей среды не ниже + 10⁰С, гигроскопичен. При  более низких температурах резко снижается скорость отверждения, при попадании влаги в отвердитель процесс полимеризации смолы может не начаться совсем. Обеспечивает невысокие механические характеристики отверждённой смолы. Смешиваются со смолой в соотношении смола : отвердитель как 10(8):1. Время желатинизации смолы - 1,5 часа.

 

Аминофенольные отвердители АФ-2, АФ-22 - отвердители на основе модифицированных алифатических аминов. Жидкость тёмнокрасного или краснокоричневого цвета с сильным запахом нашатыря. Данные отвердители работают при более высокой влажности и низких температурах (до + 1⁰С). Скорость отверждения выше: время желатинизации - 20-30 мин. Отверждённая смола имеет хорошие механические характеристики. Соотношении смола : отвердитель как 5:1.

В качестве пластификатора эпоксидных смол применяется дибутилфталат (ДБФ) (нейтральный пластификатор, не участвует в процессе полимеризации)  - прозрачная светлая маслянистая жидкость со слабым запахом. Количество добавляемого пластификатора - 10-20% от объёма композиции в зависимости  от требований пластичности отверждённой смолы. Однако следует учитывать, что увеличение содержания ДБФ с 10 до 20 % приводит к ухудшению механических характеристик (снижение разрушаюшего напряжения при сдвиге на 25%), поэтому, если требуются высокие механические характеристики отверждённой смолы, морозостойкость, стойкость к резкому перепаду температур, необходимо в качестве пластификаторов применять пластичные алифатические эпоксидные смолы ДЭГ-1, ДЭГ-19, ТЭГ-1 и др., иначе называемые лапроксидами. Эти смолы полностью полимеризуются в процессе отверждения, смешиваются с эпоксидно-диановыми смолами в любых пропорциях, отверждаются теми же отвердителями. 

Стеклоткань

Стеклоткань представляют собой сотканные из стекловолокна тканые материалы (рис.5.21)которые применяются для изготовления изделий из стеклопластика с повышенными физико-механическими свойствами. Стеклоткань характеризуются расположением стекловолокна в определенных направлениях, поэтому в этих направлениях свойства стеклоткани усилены. Различают мультиаксиальную стеклоткань, в которой стекловолокна могут быть направлены в 3-х и более направлениях. Стеклоткань поставляется в рулонах.

Рис. 5.21 Структура стеклоткани и стеклотканевой конструкции «сэндвич»

Особо высокой технологичностью при создании стеклопластиковых изделий обладают двухслойные сэндвич структуры (рис.5.21), которые выпускаются толщиной 3…25мм и позволяют производить формовку изделия при одной кладке ткани. Однако их применение ограничивается изделиями простейших форм.

Стекломат

Стекломат (рис.5.22) состоит из рубленного на отрезки различной длины ровинга. Между собой отрезки в стекломате связаны с помощью специального клея. Стекломат различают по типу связующего отрезков рубленного ровинга и поверхностной плотности. Стекломат поставляется в рулонах.

Стекломат эмульсионносвязанный. Поверхностная плотность стекломата - 300, 450, 600, 900 г/м². Данный стекломат применяются при ручном формовании стеклопластика, при производстве стеклопластика напылением и по технологии закрытого формования.

Стекломат порошковосвязанный. Поверхностная плотность стекломата - 300, 450, 600 г/м². Данный тип стекломата применяется при изготовлении сухих заготовок (пресформ) для изготовления стеклопластика по технологии закрытого формования, изготовления светопрозрачного стеклопластика.

Рис. 5.22 Различные виды стекломатов

Ровинг

Ровинг (рис.5.23) представляет собой жгут из нитей непрерывного стекловолокна. Ровинг различается плотностью - количеством нитей стекловолокна в жгуте. Ровинг может использоваться при производстве стеклопластиковых изделий намоткой или при формовании изделий из коротких отрезков ровинга.

Рис. 5.23 Различные виды ровинга

Технологии изготовления стеклопластиков

Ручное формование

Изготовление стеклопластиковых деталей ручным контактным формованием широко применяется в единичном и мелкосерийном производстве, особенно при создании уникальных изделий, моделировании и т.д

На подготовленную определённым способом оснастку (матрицу, оправку, шаблон) наносится кистью или распылителем защитно-декоративный слой - гелькоут. Гелькоут формирует наружную поверхность будущего изделия из стеклопластика. Гелькоуты имеют широкую палитру цветов, поэтому внешний вид изделия из стеклопластика может иметь практически любой цвет. После высыхания гелькоута происходит формовка изделия из стеклопластика (рис.5.24,а) На поверхность оснастки укладывается предварительно раскроенный стеклянный материал: стеклоткань, стекломат или другой тип армирующего наполнителя. Затем, при помощи мягкого валика или кисти, стекломат или стеклоткань пропитывается связующим.

Количество укладываемых слоев зависит от требуемой толщины изделия. После укладки каждого слоя производят прикатку слоя валиком с целью удаления пузырьков воздуха и излишков связующего. После полимеризации связующего изделие извлекается из формы или снимается с оправки и осуществляется его механическая обработка: обрезка облоя, сверление отверстий и т.д.

а	б
Рис.5.24 Ручное формование стеклопластиковых изделий (а) и изготовление изделия напылением (б)