книги из ГПНТБ / Байков, М. И. Оборудование и технология для изготовления конструкций из стеклопластика напылением обзор

Установки для нанесения декоративных слоев отличаются от напылительных установок для стеклопластика отсутствием ре­ жущего устройства. Как правило, здесь применяется воздуш­ ный способ распыления связующего. Композиции связующего для обеспечения качественной декоративной поверхности дово­ дятся до туманообразования. Для ускорения смены напыляе­ мых расцветок декоратива установки могут быть снабжены не одним, а несколькими бачками [27], [119], [120].

Аппараты типа «Силэит» (США) используют для напыления полиэфирных и эпоксидных смол, эластомеров и пенопластов [121], [122]. Обычно перед напылением эпоксидную смолу подо­ гревают, чтобы снизить ее вязкость и облегчить пропитку стеклонаполнителя [7], [123], [124]. При этом смола подается насо­ сом высокого давления и применяется безвоздушное распыле­ ние. В установке мод. 6006 (США), предназначенной для напы­ ления композиций связующего практически любой вязкости, предусмотрено предварительное введение в напыляемые жидкие компоненты связующего фреона, кипящего при низких темпера­ турах и создающего при напылении тонкое покрытие [125].

Для изготовления стекловолокнистых заготовок [126], [127], [128], используемых для формования стеклопластиковых изде­ лий, в частности, корпусов лодок, методом прессования, приме­ няют напылительные установки с устройствами для резки стекложгута, способными одновременно резать несколько (до 10— 15) прядей стекложгута. Вместо полиэфирного связующего для склейки заготовок подается клеящая эмульсия или порошкооб­ разная смола, расплавляемая затем при термообработке заго­ товки. В последнее время для склейки стекловолокон применяют также в небольшом количестве менее вязкие полиэфирные связующие, необходимые только для склейки заготовок. Анало­ гичные по конструкции установки применяются также и для из­ готовления стеклохолстов на основе рубленых стеклонитей.

Напыление пенополиуретана осуществляется с помощью установок, подобных установкам для напыления стеклопласти­ ка. Так, в США фирмы «Бинкс», «Де-Вилбис», «Глес-Крафт», «Пайле» и др., специализирующиеся на выпуске напылительного оборудования, производят также установки для напыления по­ лиуретана способами воздушного и безвоздушного распыления, внутреннего и наружного смешения, со смесителями механиче­ ского или турбулентного типа, с подачей компонентов шестерен­ чатыми или поршневыми насосами [129]—[131].

38

дельное или двухкомпонентное совмещенное связующее пода­ ются к специальному прикаточно-пропиточному валику, который ■служит для внесения связующего в армирующий стеклонаполнитель. При этом связующее подается либо через полую ось ва­ лика, либо из оросительного устройства, размещенного над ва­ ликом. На ручке валика укреплен также запорный кран и обыч­ но встроено устройство для промывки смесительной камеры и валика.

На базе напылительных установок типа MAS (ФРГ) выпу­ щена установка мод. К-67 [135] для напыления изделий с при­ менением в качестве связующего поливинилацетатной эмульсии, жидкого стекла или битума, а в качестве наполнителей — тепло­ изоляционных материалов (мелкодробленой пробки, пенопласта, пенобетона, вермикулита и т. п.). Другая модель установки KSA-4, так называемая «камнелитьевая машина» предназначена для изготовления полиэфирного пластбетона, отливки панелей для стен и полов, подоконников, фасадов, плит для столов и т. п. Соотношение смолы с наполнителями (песок и др.) от 1:1 до

1:10 [136], [137], [138].

ВГолландии для серийного производства судов с корпусами

из стеклопластиков длиной 21,4 м спроектирована полуавтома­ тическая напылительная установка для изготовления криволи­ нейных обшивок корпусов. Основная задача при проектировании установки заключалась в предусмотрении возможности изготов­ ления изделий с высокими прочностными свойствами. Достига­ лось это путем равномерного распределения в изделии напыляе­ мой композиции стекло—связующее. Кроме того, важно было обеспечить хорошую эксплуатационную надежность установки.

Равномерное распределение материала по матрице достиг­ нуто с помощью колебательного движения, при котором в конце каждого хода установка для напыления перемещается на опре­ деленное расстояние в направлении, перпендикулярном колеба­ тельному движению. Осуществление этой операции затруднено тем, что при максимальной скорости колебания полное измене­ ние направления вращения должно производиться в течение 0,25 с. Для изготовления плоских полотнищ из стеклопластиков достаточно движений напыляющей головки в двух направле­ ниях.

Для изготовления наружной обшивки из стеклопластика зна­ чительной кривизны (рис. 28, а) необходима возможность дви­ жения напыляющей головки в трех направлениях. На рис. 28,6 показана схема работы напыляющей головки. Движение в го­ ризонтальном и вертикальном направлении осуществляется со скоростями, векторная сумма которых поддерживается по­ стоянной.

В этом случае точка шарнира Sp с постоянной скоростью

движется вдоль кривой равномерно, параллельно контуру изго­ товляемой поверхности изделия. Кронштейн U поддерживает

39

правильное положение напыляющей головки с помощью порш­ ня Z. Движение напыляющей головки можно было бы запро­ граммировать. Однако в рассматриваемом проекте в целях сни­ жения затрат на эксплуатацию установки предусмотрено ручное обслуживание. Так, вручную поддерживается постоянной верти­ кальная скорость для того, чтобы сохранить расстояние между напылительной головкой и напыляемой поверхностью стекло­ пластика приблизительно равным 60 см. В качестве датчика рядом с напыляющей головкой устанавливается чувствительный элемент длиной ~ 55 см. Предусмотрена также регулировка скорости вертикального перемещения напыляющей головки с помощью чувствительного элемента. Кроме того, в функции об­ служивающего персонала входит включение обратного хода колебательного движения напылительного пистолета для сокра­ щения потерь напыляемого материала.

Установка смонтирована на мостовой ферме. С учетом изме­ нения по высоте поверхности напыляемого изделия в продоль­ ном направлении мостовая ферма сконструирована таким обра­ зом, чтобы траверса могла совершать в вертикальном направ­ лении поступательные движения на расстояние приблизительно 4,5 м. Держатель напыляющей головки под траверсой может, например, двигаться с помощью пантографа в вертикальном на­ правлении вверх и вниз на расстояние до 2,5 м. Таким способом изготавливают секции наружной обшивки длиной до 50 м. На траверсе устанавливается напорный резервуар емкостью 20 л для связующего на основе полиэфирной смолы. Предусмотрено место для размещения определенного количества бобин со сте­ кловолокном массой каждая 22 кг. С таким запасом стекложгута и связующего можно производить напыление непрерывно в течение 1,5 ч.

Связующее и стекловолокно подводятся к напыляющей голов­ ке с помощью высоконапорного шланга или кольцевого трубо­ провода. Для отсоса выделяющихся паров стирола с обеих сто­ рон держателей напыляющих головок установлены отсасываю­ щие шланги, которые подсоединены к вентилятору, также уста­ новленному на траверсе. Пары стирола удаляются через венти­ ляционную установку, смонтированную в крыше цеха.

СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА И КАЧЕСТВО ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛОПЛАСТИКА, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ

НАПЫЛЕНИЯ

Физико-механические характеристики стеклопластиков

Первоначальная прочность и физико-механические свойства изделий из стеклопластика, изготовленных методом напыления, зависят от вида, качества и соотношения исходных материалов,

41

расположения армирующих материалов, типа конструкции, спо­ соба и параметров изготовления. В процессе эксплуатации проч­ ность и свойства стеклопластиковых изделий изменяются в за­ висимости от температуры, влажности, атмосферных воздей­ ствий и пр.

Ниже будут рассмотрены свойства стеклопластиков на ос­ нове ненасыщенных полиэфирных или эпоксидных смол, кото­ рые наиболее часто используются для приготовления связую­ щего при изготовлении изделий из стеклопластика напылением.

Эффективное использование стеклопластиков возможно при наличии достаточных данных о прочности этих материалов и характере их разрушения [27], [140].

Пределы прочности на растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг, длительная и усталостная прочность, поверхностная твердость,, стойкость к истиранию, а также деформационные характери­ стики зависят главным образом от вида армирующего материа­ ла, его количества и расположения, поскольку именно стекло­ волокно несет почти всю нагрузку в стеклопластике [141]. Боль­ шое значение также имеют свойства связующих, которые обес­ печивают работоспособность материалов. У стеклопластиков; отсутствует характерное для металлов явление текучести, так что при возрастании нагрузки внезапно наступает момент разру­ шения.

Отрицательным свойством стеклопластика является его пол­ зучесть при нормальных температурах, которая увеличивается с повышением температуры и содержания связующего. Ползу­ честь можно снизить применением различных схем армирования и путем создания специальных конструкций изделий из стекло­ пластика.

В табл. 2 указаны величины относительной прочности сте­ клопластика [143].

Таблица 2

Относительная прочность напыленного стеклопластика с различным содержанием армирующего материала

42

1151], а по исследованиям института пластмасс в Дельфте (ФРГ) даже несколько прочнее [152]. Это объясняется тем, что в случае ручной выклейки стеклохолстов иногда встречаются непропитанные связующим участки сухого стекловолокна, при напылении же все волокна обволакиваются связующим еще в процессе напыления. Как показали испытания [153], стеклопла­ стики на основе стеклохолстов обычно содержат от 23 до 28% стекла, а напыленный стеклопластик — от 33 до 35%, причем легко можно получить содержание стекла до 37—40%, а при уплотнении, как указывают [151], — до 50—60%.

В то же время напыленный стеклопластик отличается от от­ формованных на основе стеклохолстов и стеклотканей материа­ лов тем, что в нем отсутствуют стыки армирующего стеклонаполнителя, которые, как указывают, даже в случае равномер­ ного разноса их по всей площади, могут заметно уменьшать и прочность стеклопластика на растяжение.

Другой особенностью напыленного стеклопластика и стекло­ пластиков на основе стеклохолстов является небольшая чувстви­ тельность к концентрациям напряжений и низким темпера­ турам.

Отмечается [154], что стеклопластик на основе рубленого сте­ кловолокна при содержании стекла 40% обладает большей остаточной прочностью после проведения усталостных испыта­ ний на базе 104 циклов, по сравнению с тканевым стеклопла­ стиком, имеющим содержание стекла 50%• В то время, как у первого потеря прочности на растяжение составила только 10%, потеря прочности тканевого стеклопластика составила 30%.

Имеются также сообщения [155]—[157] о меньшей потере прочности у стеклопластиков с увеличенным содержанием свя­ зующего. Это характерно для напыленного стеклопластика в условиях воздействия водной среды и химических реагентов. В работе [158] отмечается постоянство прочностных свойств сте­ клопластика на основе стеклохолстов в условиях длительных атмосферных воздействий.

Прочностные характеристики полиэфирного стеклопластика на основе рубленого стекловолокна и на основе стеклотканей отличаются физико-механическими характеристиками на рас­ тяжение [159]. Это, возможно, объясняется отчасти тем, что сте­ клопластики на основе стеклотканей обычно испытываются по направлениям их наибольшей прочности (ориентации армирую­ щего стекловолокна) и тем, что стеклопластик на основе руб­ леного стекловолокна имеет более низкое стеклосодержание.

В табл. 3 сравниваются прочностные характеристики напы­ ленного стеклопластика и стеклопластика на основе рубленых стеклохолстов с характеристиками стекловолокнистого армиро­ ванного материала (СВАМ) и ориентированного стеклопласти­ ка на основе стеклоткани.

44

Таблица 3

Сравнительные характеристики стеклопластиков различных типов

Влияние армирующих материалов и связующих на свойства напыленных стеклопластиков

Как известно, стеклоармирующие материалы, применяемые при производстве стеклопластиков, можно разделить на два ви­ да: тканые и нетканые. К нетканым относятся волокна, нити и жгуты (ровинги), а также рубленые стекложгуты и холсты на их основе; к тканым — все стеклопластики различных типов пере­ плетения [102].

Стеклоткани получают в результате дорогостоящей текстиль­ ной переработки стекловолокна.

Как указывается [150] с ссылкой на ряд работ, текстильные процессы приводят к значительному снижению прочности воло­ кон в готовой стеклоткани. По сравнению с прочностью элемен­ тарного стекловолокна прочность готовой стеклоткани ниже приблизительно на 40%. Во-первых, вследствие неравномерного натяжения волокон теряется возможность одновременной рабо­ ты крученых и переплетенных нитей. Во-вторых, в процессе тек­ стильной переработки частично происходит механическое раз­ рушение такого хрупкого материала как стекловолокно, и его прочность снижается от действия атмосферной влажности в процессе изготовления тканей, несмотря на применение защит­ ных замасливателей.

Наконец, структура стеклоткани со многими перегибами и переплетениями при нагрузках, особенно при сжатии, приводит

45-

к появлению больших дополнительных изгибающих и контакт­ ных напряжений [150]. Это полностью подтверждается резуль­ татами исследований [141].

Использование нетканого стекловолокна, например, при из­ готовлении материалов типа СВАМ, АГ-4С и ряда изделий ме­ тодами намотки или протяжки обеспечивает более полное ис­ пользованиепервоначальной прочности элементарного стекло­ волокна.

Изготовление изделий методами напыления или контактного формования на основе применения рубленых стеклохолстов так­ же обеспечивает более эффективное использование высокой ис­ ходной прочности нетканого материала в виде стекложгутов.

Для того чтобы улучшить качество изделий путем снижения воздушных включений, для напыления используют специальные рассыпающиеся стекложгуты. Отечественная марка стекложгута для напыления ЖСР 60/3 обработана поливинилацетатным замасливателем № 3, который содержит винилтриэтоксисилан, волан и другие добавки, обеспечивающие стекложгуту гидрофобность и хорошую смачиваемость связующим.

В целях качественного изготовления стеклопластика и обес­ печения высоких физико-механических свойств материала, сте­ кложгуты для напыления должны отвечать следующим требо­ ваниям:

легко разрезаться; свободно рассыпаться на отдельные пряди;

быстро пропитываться (смачиваться) связующим; хорошо прилегать к форме на закруглениях и в углах.

Многие зарубежные фирмы выпускают специальные стекло­ жгуты для напыления. Так, в Англии выпущена улучшенная марка стекложгута для напыления ЕСР 1032 [163]. По сравне­ нию с ранее выпускавшимися стекложгутами, он лучше режет­ ся, что увеличивает срок службы ножей; после прикатки пряди полностью распадаются на волокна и плотно прилегают к по­ верхности формы, благодаря чему резко уменьшается пори­ стость и улучшается качество напыленного стеклопластика.

Поскольку основную нагрузку в стеклопластике несет арми­ рующее волокно, прочность стеклопластика до определенного предела [143] увеличивается почти прямо пропорционально ко­ личеству стекловолокна, что особенно наглядно видно на при­ мере ориентированного стеклопластика СВАМ, у которого воз­ растание прочности до 90—95%-кого (по массе) стеклосодержания характеризуется прямой линией (рис. 29) [164], а макси­ мум прочности находится еще выше. Другие армирующие мате­ риалы с менее плотной упаковкой стекловолокна имеют макси­ мум прочности при более низком стеклосодержании. Например, при использовании стеклотканей из непрерывного стекловолок­ на максимум прочности находится приблизительно на уровне 70% содержания стекла (по массе), а при использовании руб­

46

леного стекловолокна — 55% по массе [141]. Эти максимальные значения достигаются при использовании давления при фор­ мовании. В случае же ручного контактного формования обычно процент стеклосодержания составляет для материала на основе стеклотканей 50% и на основе стеклохолстов — 30%, а при ме­ тоде напыления — 35%.

В последнее время при изготовлении стеклопластиков мето­ дом напыления все более широко используют установки безвоз­ душного распыления, что позволяет без затруднений получать

Рис. 29. Влияние содержания стеклонаполнителя на прочность однонаправлен­ ного стеклопластика.

------------ экспериментальная зависимость;

------------зависимость, вычисленная по формулам.

стеклосодержание 36—40% при изготовлении корпусов парус­ ных и моторных лодок [164].

Однако не всегда следует стремиться к увеличенному содер­ жанию стекла, так как это не только приводит к увеличению стоимости исходных материалов и трудоемкости изготовле­ ния [148], но в некоторых случаях нежелательно ввиду мень­ шей долговечности изделий в условиях внешних воздействий.

Длина стекловолокна наряду с содержанием стекла являет­ ся одним из важных факторов прочности стеклопластиков. Уве­ личение длины волокна до 100 мм заметно повышает прочность стеклопластика на растяжение [143], как это видно из диаграм­ мы (рис. 30), приведенной в работе [150].

В случае хрупкой смолы при растяжении сначала происхо­ дит образование мелких трещин перпендикулярно длине образ­ ца, а затем его разрушение. Это происходит оттого, что удли­ нение смолы меньше удлинения волокон. Следовательно, очень

4 7