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

важно, чтобы удлинение связующего было больше, чем арми­ рующего стекловолокна [141].

При армировании термопластов даже короткими стеклово­ локнами (30% по массе) достигается увеличение вдвое прочно­ сти стеклопластика при разрыве, а при использовании в таком же процентном отношении более длинного (до 50 мм) стекло­ волокна для армирования термореактивных смол — только в 1,5 раза [165]. Поэтому рекомендуется [166] в стандартную по­ лиэфирную смолу добавлять до 15% эластичной смолы, что уве­ личивает прочность стеклопластика на растяжение и сопротив­ ление знакопеременным нагрузкам и может также [143], [167]

Рис. 30. Зависимость прочности стеклопласти­ ка от ориентации и длины стекловолокна.

/ — однонаправленное расположение волокна; 2 — хаотичное расположение волокон.

повысить ударную прочность стеклопластика с 80—150 до 200— 250 кгс • см/см2.

Наряду с механическими характеристиками большую роль играют физические свойства связующего. Для судостроения важное значение имеют стойкость связующего в морской воде и химических средах, а также теплостойкость. В работе [168] приводятся результаты исследований по выбору смол для судо­ строения. Наилучшими признаны эпоксидная и ортофталевая полиэфирная смолы, для кислотных сред — изофталевые и ортофталевые, для щелочных — эпоксидные смолы.

Смолы для напыления должны обладать пониженной вяз­ костью. За рубежом обычно разбавляют полиэфирные ненасы­ щенные смолы моностиролом, причем в стандартную смолу с содержанием моностирола 30% можно добавлять еще 10—15% его [143]—[151], в результате чего вязкость смолы значительноснижается. Это содействует лучшей пропитке и уменьшает ко­ личество воздушных включений при изготовлении стеклопласти­

48

ка методом напыления и позволяет получать несколько больший процент стекловолокна.

В то же время [169], [170] такое увеличение содержания сти­ рола в смоле почти не влияет на механические свойства, теп­ лостойкость и водостойкость стеклопластика [169], [170]. Усадка смолы несколько увеличивается, приближаясь к объемной усад­ ке чистого моностирола (13,6%).

Разработаны [171] отечественные маловязкие смолы с увели­ ченным содержанием стирола (до 40—50%), причем эти смолы содержат в полимерной цепи третичный азот (азотосодержащие полиэфирные ненасыщенные смолы —АПН-1 и другие), так что эти смолы могут отверждаться в присутствии лишь одного ини­ циатора перекисного типа (перекись бензоила); отверждение может происходить при пониженных температурах (3—5°С). Кроме того, данные смолы позволяют получать стеклопластик с улучшенными физико-механическими свойствами.

Так как процесс напыления стеклопластика сопровождается распылением связующего и, следовательно, выделением токсич­ ных летучих веществ, желательно наряду со специальным обо­ рудованием для безвоздушного распыления мелкими каплями применять смолы, содержащие малотоксичные мономеры.

За рубежом [172] для создания таких смол используют аллиловые эфиры (диаллилфталат и др.), в Советском Союзе раз­ работаны малотоксичные полиэфиракрилатные смолы [173] в частности, ненасыщенная полиэфирная смола НПС-609-21М и другие с ТГМ-3 в качестве мономера. Эти смолы ввиду их по­ ниженной токсичности широко используются в судостроении, в том числе и при напылении. Смола НПС-609-21М использу­ ется при серийной постройке рыбодобывающих судов типа

«Восток» [174].

Однако, несмотря на хорошие качества этой смолы для из­ готовления изделий методом напыления, в дальнейшем жела­ тельно было бы модифицировать ее с целью уменьшения вяз­ кости и увеличения склонности к пластической деформа­ ции [175].

Как указывалось, кроме обычно используемого метода на­ пыления и пропитки рубленого стекложгута применяется напы­ ление нерубленого, т. е. непрерывного стекложгута. Этот метод разработан американской фирмой «Фиберлей» [41]. Как сооб­ щается [176], особенностями данного метода является использо­ вание более мягких сортов стекложгута и увеличенный процент стеклосодержания в стеклопластике.

Изотропность и монолитность напыленных стеклопластиков

Как известно, неориентированное расположение стеклянных волокон обеспечивает равнопрочность стеклопластика в плоско­ сти листа [171]. Поэтому напыленные стеклопластики или стек-

лопластики на основе стеклохолстов, волокна которых распо­ ложены хаотично, можно считать изотропными материалами, для которых характерна одинаковая прочность в любом направ­ лении в плоскости листа. Эта прочность по своей абсолютной величине может быть и меньше, чем прочность, например, ортотропных стеклопластиков, измеренная по направлению их наи­

большей прочности (вдоль ос­

пластика при действии внешних усилий. В этой связи, по-види­ мому, не всегда правильно сопоставлять одинаковую по всем направлениям прочность неориентированных стеклопла­

Как показано в работе [162], прочность стеклопластика на основе стеклотканей может изменяться в очень широких преде­ лах в зависимости от угла приложения нагрузки к направле­ нию армирования (рис. 31).

50

В работе [150] указывается, что если прочность стеклопласти­ ка типа СВАМ на бутварно-фенольном, связующем при ориен­ тации в одном направлении имеет предел прочности при растя­ жении около 100 кгс/мм2, то при поперечном армировании в со­ отношении 1 : 1 прочность уменьшается приблизительно напо­ ловину. Кроме того, отмечается, что при укладке ориентирован­ ных материалов под соответствующим углом друг к другу мож­ но получить практически «изотропную» пластину. В таком слу­ чае прочность в любом направлении в плоскости листа почти одинакова и составляет примерно половину первоначальной прочности стеклошпонов. Таким образом, если однонаправлен­ ный СВАМ имеет прочность 100 кгс/мм2, а ортотропный при со­ отношении слоев 1: 1 примерно 50 кгс/мм2, то прочность «изотропного» стеклопластика составит примерно 2/з прочности равнопрочного ортотропного. И, наоборот, если хаотично рас­ положенные в стеклопластике волокна уложить ориентированно в одном направлении, то при длине рубленого волокна более 60—80 мм прочность на растяжение такого пластика также уве­ личится приблизительно втрое, как это видно из диаграммы рис. 30 [150].

Как сообщают [190], при изготовлении изделий из стекло­ пластиков среди различных видов армирующих стеклонаполнителей на первом месте по объему использования стоит стекложгут, а на втором— стеклохолст на основе рубленого стекложгута. Это, очевидно, вызвано большими преимуществами не­ тканых армирующих стеклонаполнителей.

При выборе вида стеклопластика для изготовления конструк­ ции большое значение имеет учет способности материала сопро­ тивляться напряжениям при сдвиге, особенно в случае изги­ бающих нагрузок. При этом установлена [150] малая прочность на межслойный сдвиг у слоистых материалов, что обусловлено^ недостаточной прочностью сцепления между слоями. В ткане­ вых стеклопластиках с параллельным расположением слоев пре­ дел прочности при межслойном сдвиге приблизительно равен пределу прочности при сдвиге чистой смолы [191].

Низкая прочность тканевого стеклопластика при сжатии свя­ зывается с недостаточной прочностью при межслойном сдви­ ге [165]. В связи с этим указывается [192], что метод напыления стеклопластика обеспечивает получение относительно более вы­ сокой прочности между слоями по толщине изделия, что обус­ ловливает повышенную сопротивляемость расслоению [194]. По­ этому метод напыления с успехом используется для изготовле­ ния приформовочных угольников. В работе [147] отмечается, что наибольшим модулем сдвига G в плоскости листа обладает сте­ клопластик на основе рубленого стеклохолста, отношение

j / " = р которого почти вдвое меньше, чем у стеклопластика на основе стеклотканей. Между тем основанный на этом отно-

шении параметр р характеризует степень анизотропии упругих свойств и по данным работы [193] имеет существенное значение при расчетах балок из стеклопластика, работающих на изгиб.

Приводятся экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что измеренные значения прогибов значительно превы­ шают расчетные, полученные по формулам, не учитывающим влияния поперечных сдвигов (рис. 32). Кроме того, делается

2/У

Рис. 32. Влияние степени анизотропии Р и отношения — —

на прогиб, обусловленный сдвигами, где 2Н — толщина

пластины; а — размер квадрата пластины; Wmax, ^max-

максимальные прогибы, вычисленные с учетом и без учета сдвигов.

вывод о том, что для армированных волокнами пластин при больших значениях р существенно снижается критическая на­ грузка.

Физические и некоторые другие свойства напыленного стеклопластика

Для стеклопластиков, используемых в судостроении, стой­ кость к внешним воздействиям окружающей среды (вода, атмо­ сферные воздействия, химическое воздействие, воздействие ультрафиолетовой части солнечного спектра, нагрузки от ветра, снега и др.) должны также учитываться. Указанные факторы мо­ гут вызвать в конструкциях деформации и потерю прочности и, наконец, потерю светопрозрачности или первоначальной окра­ ски [195].

Для полиэфирных смол наблюдается соответствие между из­ менением свойств после кипячения в течение 2 ч и после вы­ держки в воде в течение 30 суток [196]. Из диаграмм, приведен­ ных в работе [146], видно, что при испытаниях кипячением в те­ чение 2 ч у образцов стеклопластика на основе стеклохолстов

52

с различным содержанием стекла падение прочности при изги­

прочности наблюдается и при испытаниях на растяжение. Сте­ клопластик на основе рубленого стекловолокна отличается от тканевых стеклопластиков пониженным водопоглощением [197]. Отмечается, что после шестимесячного пребывания в воде водопоглощение полиэфирных стеклопластиков на основе рубленого стекловолокна составило 1,8%, на основе стеклосатина — 2,3% и на основе жгутовой стеклоткани — 3%.

Увеличенное содержание смолы в стеклопластике способ­ ствует увеличению не только водостойкости, но также и атмосферостойкости и стойкости к химическим реагентам [198], [157]. Кроме того, увеличенное содержание связующего противодей­ ствует изменению поверхностной окраски и потере прозрачно­ сти стеклопластика [199].

Таким образом, напыленный стеклопластик, отличающийся от тканевого несколько повышенным содержанием связующего, имеет благодаря этому определенные преимущества. Кроме то­ го, повышенное содержание связующего в напыленном стекло­ пластике приводит к снижению его плотности. Так, при обыч­ ном для напыления стеклосодержании 32% плотность стекло­ пластика составляет 1,42 г/см3, а стеклопластик ручного кон­ тактного формования на основе стеклоткани АСТТ(б)-С2-0 при стеклосодержании 50% имеет плотность 1,7 г/см3.

Если изготовить два изделия, например, два корпуса лодки одинаковой толщины, то изделие на основе стеклоткани будет примерно на 25% прочнее и на 15% тяжелее, чем напыленное. При одинаковой же массе, что потребует увеличения толщины стенок напыленного изделия приблизительно на 15%, прочность изделия на основе стеклоткани будет только на 10% выше. Если учесть увеличенный процент содержания стекла в изделии на основе стеклоткани, а также намного более высокую стоимость стеклоткани, по сравнению со стоимостью стекложгута, то мож­ но сделать вывод о значительном увеличении стоимости изде­ лия изготовленного на основе стеклоткани. Кроме того, изго­ товление изделий методом напыления, по сравнению с контакт­ ным формованием, имеет бесспорные технологические преиму­ щества. Становится ясным, что целесообразнее изготовлять из­ делия определенного назначения методом напыления, несколько увеличив массу и толщину изделия, причем экономия за счет материалов все равно будет обеспечена. В то же время увели­ чение толщины изделия в значительной степени будет способ­ ствовать повышению жесткости изделия.

Что касается возможности введения инертных наполнителей, то можно утверждать, что метод напыления наиболее удобен для этого. Инертные наполнители можно вводить либо вместе

53

■с распыляемым связующим (для этого необходимо использовать менее вязкие смолы), либо вместе с напыляемым рубленым стекложгутом, причем для последнего способа имеются специально приспособленные напылительные установки, например, скон­ струированная в УкрНИИпластмасс опытная напылительная установка типа выпускаемых в ФРГ установок «MAS». Второй путь введения наполнителей предпочтительнее, так как в случае введения со смолой они могут оказывать абразивное действие. Отмечается, что при введении наполнителей отсутствует возмож­ ность отфильтровывания их армирующим стекловолокном [187].

Наполнители могут добавляться не только с целью сниже­ ния стоимости стеклопластика, но и для получения необходи­ мых физико-механических свойств изделий, а именно:

уменьшения в изделии внутренних напряжений путем умень­ шения усадки при отверждении;

увеличения поверхностной твердости, уменьшения истирае­ мости поверхности изделия;

уменьшения плотности стеклопластика путем использования стеклянных или пластмассовых полых микрошариков, в част­ ности, типа «Саран» на основе винилиденхлорид-акрилонитри- лового сополимера, что позволяет снизить массу, увеличить пла­ вучесть, жесткость стеклопластика, особенно при изготовлении корпусов лодок, а также снизить горючесть изделия [201];

уменьшения пожароопасности стеклопластика путем введе­ ния антипиреновых добавок;

увеличения теплоизоляционных свойств путем введения проб­ ковой крошки и пр.

Для определения прочностных свойств стеклопластика на основе рубленого стекловолокна с тем или иным количеством инертного наполнителя можно воспользоваться диаграммой, изображенной на рис. 33 [202].

По данным исследований [177], введение наполнителей повы­ шает термостойкость стеклопластика. Например, после старе­ ния при 200° С, стеклопластик без наполнителя показал сниже­ ние прочности приблизительно на 50%, а стеклопластик с до­ бавкой 5% двуокиси кремния, окиси цинка или алюминия — только на 20—30%.

Отмечается [203], что напыленный стеклопластик ввиду уве­ личенного содержания связующего, даже без добавки специаль­ ных наполнителей, имеет намного более высокую стойкость про­ тив истирания (от 4,5 до 12 раз), по сравнению со стеклопла­ стиком, изготовленным на основе стеклотканей. Это утвержде­ ние, по мнению авторов, сомнительно.

Метод напыления стеклопластика дает возможность направ­ ленно увеличить жесткость конструкции, что является вопросом первостепенной важности. В частности, это может быть достиг­ нуто:

54

1)созданием местных утолщений. Постепенное утолщение по направлению к углам и фланцам изделия значительно уве­ личивает его жесткость;

2)устройством гофр, которые составляют единое целое с конструкцией. Напылением их изготовлять технологичнее, чем, например, контактным формованием;

3)изготовлением монолитных с изделием ребер жесткости. При изготовлении деталей напылением очень удобно обформо-

вывать закладные детали из пенопласта, дерева или картона,

атакже ребра жесткости, блоки плавучести и т. п.;

4)изготовлением трехслойных конструкций.

Рис. 33. Диаграмма для определения длительной прочности на изгиб стекло­ пластика на основе ненасыщенной поли­ эфирной смолы и рубленого стеклово­ локна в зависимости от содержания стекла, смолы и инертного наполнителя.

Известно, что такие конструкции можно создавать либо обформовкой заранее подготовленных (по форме изделия) бло­ ков пенопласта, либо заливкой пенополиуретана внутрь двух­ слойной конструкции, а также запениванием пенопласта. Во всех случаях адгезия пенопласта и плотное прилегание его к стеклопластику имеют первостепенное значение для долговре­ менной прочности изделия. Плотное прилегание к поверхности пенопласта при напылении стеклопластика обеспечивается самим характером технологического процесса. Что касается соедине­ ния отвердевшего напыленного стеклопластика с пенополиуре­ таном в случае заливки запениваемой композиции или в случае напыления пенополиуретана на поверхность стеклопластика, то при напылении можно достигнуть исключительно прочной связи стеклопластика с пенополиуретаном. Для этого при изго­

55

катывают, в результате образуется рыхлая ворсистая напылен­ ная поверхность стеклопластика, отлично сцепляющаяся при запенивании с пенополиуретаном [204]. Метод напыления в со­ четании с запениванием пенополиуретана применяют для изго­ товления трехслойных панелей в жилищном строительстве [205].

Вы в о д ы

Всвязи с тем, что для изготовления изделий из стеклопла­ стика широко применяется метод напыления, в обзоре рассмо­ трены конструкции современных моделей напылительного обо­ рудования для изготовления изделий из стеклопластика.

Отмечено расширение выпуска в последние годы разнообраз­ ного по назначению напылительного оборудования (для напы­ ления стеклопластика, нанесения поверхностных декоративных слоев, пропитки стеклонаполнителей) и различных марок свя­ зующих (на основе полиэфирных и эпоксидных смол).

Выявлена тенденция к применению полуавтоматизированных стационарных и передвижных напылительных установок для из­ готовления плоских и объемных изделий из стеклопластика.

Обоснованный выбор установок для изготовления изделий из стеклопластика напылением рекомендуется производить на основе классификации оборудования, приведенной в обзоре.

Основными преимуществами метода напыления являются: механизация основных технологических процессов (нанесе­

ния и пропитки связующего, напыления и уплотнения стекло­ волокна) ;

возможность использования нетканых армирующих материа­ лов и других компонентов, обеспечивающих значительное сни­ жение стоимости исходных материалов;

обеспечение широкой свободы изготовления различных из­ делий.

Опыт эксплуатации многих напылительных установок позво­ лил определить, что основными их недостатками являются сложность конструкции и возможность накапливания зарядов статического электричества, частое забивание сопел форсунок, некачественное распыление связующего и стекловолокна и слож­ ность обеспечения мер техники безопасности.

Отмечается также ряд недостатков напыленного стеклопла­ стика:

физико-механическая прочность изделий уступает прочности изделий из стеклопластика, изготовленных контактным формо­ ванием намоткой, протяжкой, прессованием и т. п.;

изделия имеют разнотолщинность, которая в среднем состав­ ляет ±20%;

56

производство считается вредным из-за токсичности мате­ риалов;

наблюдается ползучесть стеклопластика ввиду увеличенного содержания связующего.

Для устранения недостатков необходимо:

усовершенствовать напылительные установки и вспомога­ тельное оборудование (камеры сушки разделительных слоев, желатинизации декоративных слоев и полимеризации стекло­ пластика, прикаточный инструмент и приспособления и др.); усовершенствовать технологический процесс метода напы­

ления; создать специализированные материалы для напыления (ма­

ловязкие и малотоксичные смолы и специальные отверждаю­ щие добавки, качественные стекложгуты);

при конструировании изделий учитывать особенности метода напыления.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.«Reinforced Plastics», 1969, t. 13, № 4.

2.«Kunststoffe», 1968, № 10, с. 615.

4.Патент ФРГ № 1214320.

5.Патент США № 2787314.

6.Патент США № 2933125.

7.К и с е л е в Б. А. Стеклопластики. Госхимиздат, М., 1961.

8.«Reinforced Plastics», 1969, № 12, с. 106.

9.«Kunststoffe», 1968, № 7, с. 495.

10.«British Plastics», 1968, № 12, с. 81.

11.«British Plastics», 1970, № 7, с. 102.

12.«Plastverarbeiter», 1970, № 7, с. 495.

13.«Plaste und Kautschuk», 1971, № 2, c. 151.

14. «Penn GRP Technology», Лондон, 1968, c. 184— 194.

15.«Plastics Technology», 1967, № 7, c. 36.

16.«Modern Plastics», 1961, № 9, c. 9.

17.«Plastics Technology», 1967, № 7, c. 40.

18.«Modern Plastics», 1967, № 3, c. 9.

19.«Modern Plastics», 1967, № 3, c. 89.

20. «Australian Plastics and Rubber Journal», 1970, № 298, c. 8—9.

21.«Plastiverarbeiter», 1970, № 7, c. 495.

22.«British Plastics», 1970, № 7, c. 102.

c.640—649.

24.Патент ФРГ № 1128129.

25.Каталоги фирмы «Секмер», Франция, 1970.

26.«Reinforced Plastics», 1970, № 8, с. 213.

27.Проспект фирмы Coudenhove (Австрия) на напылительные установ-

•ки «Полиспрей» М-4А, МП, М-20, М-30, 1970.

28.«Plastics», 1967, № 4, с. 94.

29.«Modern Plastics», 1968, № 9, с. 64.

30.«Plastics World», 1965, № 10, с. 26.

31.«Plastics Technology», 1970, № 9, с. 52.

32.«Kunststoffe», 1968, № 7, с. 495.

57