ОДНОНАПРАВЛЕННЫЙ АРМИРУЮЩИЙ НАПОЛНИТЕЛЬ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОНАПРАВЛЕННОГО АРМИРУЮЩЕГО НАПОЛНИТЕЛЯ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
UNIDIRECTIONAL REINFORCEMENT, A METHOD FOR PRODUCING A UNIDIRECTIONAL REINFORCEMENT AND A METHOD FOR THE USE THEREOF

Область техники
[001] Настоящее изобретение относится к однонаправленному армирующему наполнителю, способу получения однонаправленного армирующего наполнителя и способам его применения. Однонаправленный армирующий наполнитель настоящего изобретения можно применять во всех случаях, когда обычно требуются армирующие наполнители и, в частности, когда используется способ закрытой формы. Способ закрытой формы обычно означает применение технологии вакуумной инфузии или литьевого прессования полимера (RTM) или легкого литьевого прессования (Light RTM) для распределения смолы в литьевой форме в тех случаях, когда требуется особенно высокое качество и прочность конечного изделия. Однонаправленный армирующий наполнитель настоящего изобретения прежде всего предназначен для производства ламинатов, из которых производятся полки лонжеронов для лопастей ветроэнергетических установок, деталей автомобилей, небольших судов, различных силовых деталей конструкций и пр., т. е. всех подобных конструкций, в которых требуются детали удлиненной формы.
Предпосылки создания изобретения
[002] При использовании композитных материалов и ламинатов, в которых используются различные волокна, например стеклянные, углеродные и арамидные волокна, а также лен, пенька, джут, кенаф, базальтовое волокно и другие натуральные волокна в производстве, например, небольших судов, деталей автомобилей или ветроэнергетических установок, производство начинается с получения подходящих волокнистых армирующих наполнителей с тканой или вязаной структурой, для которых может быть характерна однонаправленная или многоосевая ориентация. Наполнитель с такой структурой затем помещают в литьевую форму для производства промежуточного или конечного изделия. Разумеется, литьевая форма имеет конфигурацию конечного изделия, которая часто может быть очень сложной, и армирующий наполнитель, помещаемый в литьевую форму, необходимо подвергать основательному формованию. В литьевую форму обычно укладывают один поверх другого несколько (до десятков) слоев армирующих наполнителей и литьевую форму заполняют термореактивной смолой, например эпоксидной смолой, смешанной с отвердителем, или ненасыщенной сложной полиэфирной смолой, или сложной винилэфирной смолой, чтобы сформировать изделие из композитного материала, армированного волокнами. В качестве смолы используются также термопластичные полимеры, например полиамид (PА), циклический полибутилентерефталат (CBT) и т. п. Практика показала, что для производства конечного изделия с высокой механической прочностью желательно использовать однонаправленные армирующие наполнители, которые могут скрепляться в поперечном направлении путем сшивания, так как их можно оптимально ориентировать с учетом нагрузки. Такие однонаправленные армирующие наполнители получают из ровингов или жгутов, которые обычно называют армирующими волокнами.
[003] Однонаправленный армирующий наполнитель обычно формируют из однослойных армирующих ровингов. Структура армирующего наполнителя зависит от требуемого значения поверхностной плотности и номинальной линейной плотности ровингов (выражается в тексах). Например, если требуется высокое значение поверхностной плотности, используют плотный ровинг (например, ровинг из стекла Е 2400 текс), а если требуется армирующий наполнитель с низким значением поверхностной плотности, его производят из ровинга низкой плотности (например, используют ровинг из стекла Е 600 текс).
[004] Конечное изделие, т. е. отвержденную структуру ламината, можно получить из нескольких таких однонаправленных армирующих наполнителей либо путем такого размещения слоев армирующих наполнителей, что в конечном изделии ровинги каждого слоя будут параллельны или некоторые слои будут ориентированы в других направлениях с учетом нагрузок, которым подвергается деталь из ламината, либо путем предварительного производства тканей из нескольких слоев однонаправленных армирующих наполнителей с расположением ровингов смежных слоев под определенным углом с последующим формированием конечного изделия из подготовленных таким образом тканей. В зависимости от количества ориентаций волокон такие ткани могут называться биаксиальными, триаксиальными, квадраксиальными и т. п.
[005] Однонаправленный армирующий наполнитель по своей структуре является непрочным, так как нити в нем проходят только в одном направлении. Для удобства обработки ровинги однонаправленного армирующего наполнителя необходимо связывать или скреплять между собой приемлемым способом. В принципе, на предшествующем уровне техники для этого используют два разных механических способа.
[006] Один из них заключается в закреплении ровингов посредством сшивания (например, основовязального трикотажного переплетения). При этом сшивающие нити образуют трикотажные петли, т. е. сшивки, с помощью которых армирующие ровинги удерживаются в структуре армирующего наполнителя. Сшивки формируются с помощью различных вязальных инструментов, например игл, которые проходят сквозь слой или слои армирующих волокон в соответствии с известным видом трикотажного переплетения.
[007] Другой механический способ скрепления продольных нитей основы - применение ткацкого переплетения с использованием в определенных местах уточных нитей малой плотности. В качестве уточных нитей используются как простые нити, так и нити с плавящимся покрытием. Материал подвергают нагреву и охлаждению, в результате чего плавящееся связующее вещество придает армирующему наполнителю значительную прочность. Несмотря на это, ткацкое переплетение теперь не считается предпочтительным способом, так как для такого переплетения армирующие нити должны изгибаться при пересечении с уточными нитями, что приводит к концентрации внутренних напряжений и снижению механических характеристик по сравнению со способом трикотажного переплетения. Исследования показали, что при использовании нитей с плавящимся связующим веществом в процессе отверждения возникают нарушения в отверждаемой полимерной матрице, поэтому такой способ более не применяется. Уточные нити, как простые, так и покрытые связующим веществом, являются, как правило, многоволоконными нитями и при сжатии становятся плоскими.
[008] В заявке EP-A1-2233625 представлена волокнистая плетеная ткань однонаправленного армирующего наполнителя, в которой армирующие волоконные нити, размещенные в одном направлении параллельно друг другу, удерживаются в заданном образовании за счет увязывания вспомогательных уточных нитей и вспомогательных нитей основы. Каждая вспомогательная уточная нить проходит на одной поверхности ткани в поперечном направлении к армирующим волоконным нитям. Вспомогательные уточные нити размещаются поочередно на обеих сторонах ткани. Вспомогательные нити основы проходят параллельно армирующим волоконным нитям и входят в ткань зигзагообразным образом так, что каждая вспомогательная нить основы проходит вокруг каждой вспомогательной уточной нити и при этом прикрепляет вспомогательную уточную нить к ткани. Иными словами, при переплетении со вспомогательными уточными нитями вспомогательные нити основы проходят ткань от одной поверхности к другой и, таким образом, разделяют армирующие волоконные нити на пучки однонаправленных армирующих волоконных нитей. Иными словами, в документе EP описано механическое увязывание однонаправленных армирующих волоконных нитей за счет использования ткацкого станка, который является относительно сложной машиной, которая вызывает проблемы при производстве. Например, из-за непрерывного изменения взаимного расположения слоев ткани при ткацком переплетении может возникать трение между отдельными ровингами, которое легко вызывает разрыв волокон в ровингах, а также одновременно снижает качество изделия и увеличивает риск простоя технологической линии. Более того, увязывание армирующих ровингов, жгутов или нитей ведет к образованию насыщенных смолой участков между армирующими ровингами, что увеличивает внутренние напряжения из-за возникающей неравномерной усадки смолы.
[009] В промышленных целях также применяли химический способ связывания однонаправленных ровингов с помощью различных термопластичных связующих веществ. Практика показала, что химическое связывание ровингов приводит к излишней жесткости армирующего наполнителя, которая препятствует его правильному расположению в литьевой форме. Чем сложнее контур литьевой формы, тем труднее уложить по нему наполнитель. Однако при тщательном подборе как связующего вещества, обычно термопластичного связующего вещества, например, в виде порошка, так и его количества можно добиться приемлемых формовочных свойств (главным образом гибкости) армирующего наполнителя. Кроме описанной выше излишней жесткости химически связанным армирующим наполнителям присущи недостатки, касающиеся проницаемости уложенного в литьевую форму пакета армирующих наполнителей и скорости его пропитки смолой.
[0010] Недостаточная проницаемость для смолы и недостаточное связывание ровингов армирующего наполнителя объясняются тем, что ровинги на стадии инфузионного формования в некоторых местах настолько сильно прижимаются друг к другу, особенно под влиянием силы сжатия, возникающей при вакуумной инфузии, что, во-первых, выход газа из пустот и, во-вторых, последующее заполнение пустот смолой в слоях армирующего наполнителя и между ними происходит слишком медленно, если для их ускорения не принимаются специальные меры. Так как для успешного формования необходима хорошая проницаемость для смолы, его обычно ускоряют, обеспечивая разность давлений при подаче смолы в литьевую форму. Для распределения смолы по всем слоям армирующего наполнителя в форме при способе закрытой формы повсеместно применяют многочисленные разновидности методов либо вакуумной инфузии, либо литьевого прессования полимера (RTM или Light RTM), а также вспомогательные средства, например пластиковые сетки. Иногда, несмотря на все применяемые средства, такие как вакуум и/или повышенное давление при подаче, в армирующем наполнителе могут оставаться небольшие воздушные пустоты, которые значительно снижают прочность ламината. Описанное выше подтверждает необходимость поиска более эффективных способов как удаления газа из пакета армирующих наполнителей, так и улучшения проницаемости армирующего наполнителя для смолы.
[0011] Одним из способов улучшения проницаемости армирующего наполнителя является создание в нем каналов, которые позволяют смоле быстро протекать в слоях армирующего наполнителя. На предшествующем уровне техники уже описаны многочисленные способы размещения каналов распределения смолы внутри слоев и между слоями в пакете армирующих наполнителей. Однако выяснилось, что эффективность таких каналов распределения не слишком велика, так как на стадии инфузии под действием вакуума находящиеся вблизи канала ровинги армирующего наполнителя сдвигаются или смещаются и даже перекрывают каналы и пустоты.
[0012] В заявке EP-A1-1491323 описана структура армирующего наполнителя, содержащая однонаправленные армирующие нити и поперечные упрочняющие нити. Упрочняющие нити располагаются с определенными промежутками на слое армирующих нитей. Упрочняющие нити могут содержать термопластичный материал, который при плавлении или размягчении скрепляется с армирующими нитями, благодаря чему армирующий наполнитель получает необходимую поперечную устойчивость. Продольные дренажные нити для обеспечения достаточного капиллярного дренажа впрыскиваемой смолы размещаются в слое продольных армирующих нитей параллельно им и друг другу. Дренажные нити размещаются с определенными промежутками в слое армирующих нитей. Дренажные нити могут состоять из стекловолокна, покрытого волокнами, обладающими достаточными капиллярными свойствами для дренажа впрыскиваемой смолы, например волокнами хлопка или целлюлозы. Другой тип дренажных нитей представляет собой армирующие нити, каждая из которых обвита моноволокном. За счет этого формируется спиральный канал распределения смолы. Таким образом, очевидно, что такие каналы распределения образованы в продольном направлении армирующего наполнителя.
[0013] В заявке EP-B1-1667838 описан способ формирования каналов распределения в композитной ткани за счет множества по существу параллельных коаксиальных групп жгутов, причем каждая такая группа имеет один или более жгутов, при этом часть указанных групп жгутов содержит два или более жгута. Предполагается, что распределение смолы внутри ткани будет обеспечиваться за счет того, что промежутки между жгутами в группах жгутов имеют меньший размер, чем промежутки между смежными группами жгутов. Таким образом, необходимые каналы распределения образуются промежутками между смежными группами жгутов. По таким каналам смола должна протекать через ткань, особенно в направлении жгутов, т. е. в продольном направлении изделия.
[0014] С учетом содержания обоих указанных документов продольное протекание смолы на практике означает, что чем больше длина изготавливаемого изделия, тем более сложным и по меньшей мере продолжительным будет процесс пропитки конечного изделия смолой. Практически невозможно представить себе экономически целесообразный процесс продольной пропитки полки лонжерона для лопасти ветроэнергетической установки, имеющей длину 50 метров или более. В то же время следует понимать, что при увеличении длины конечного изделия появляется такая точка, в которой пропитка в продольном направлении достигает своего практического предела, т. е. так называемой дистанции пропитки, после чего необходимо серьезно рассмотреть другие решения. Кроме того, эксперименты показали, что под действием вакуума на стадии инфузии либо каналы распределения перекрываются ближайшими ровингами, либо структура ламината становится волнистой из-за отдельных изгибов армирующих ровингов, вследствие чего снижается механическая прочность. Для решения описанных выше проблем можно организовать впрыскивание смолы с интервалом, например, 2 метра по всей длине лопасти, но такой способ будет сложным, длительным и, как следствие, чрезвычайно затратным.
[0015] В патенте US-A-5,484,642 описан текстильный армирующий материал, применяемый для производства композитных ламинатных изделий общеизвестным методом литья под давлением. Для получения изделия из армированного материала, т. е. со структурой ламината, в соответствующую литьевую форму помещают пакет слоев, имеющих армирующие текстильные наполнители, затем литьевую форму закрывают и впрыскивают в нее смолу. В качестве текстильных армирующих наполнителей можно использовать тканые и нетканые полотна, включая однонаправленные волокнистые ленты. Поперечная устойчивость слоев армирующего наполнителя достигается путем ткацкого или вязального переплетения, сшивания или путем скрепления поперечными нитками или нитями. По меньшей мере один из слоев пакета текстильных армирующих наполнителей имеет структуру, в которой каналы распределения смолы проходят в по меньшей мере одном направлении, облегчающем распределение смолы при впрыскивании. Относительно структуры материала такие каналы могут быть расположены в продольном и/или в поперечном направлении. Основной идеей указанного выше патента US является модификация части армирующих нитей для придания им большей стойкости к сжатию при закрытии литьевой формы и подаче вакуума, что способствует хорошему распределению смолы в ткани. Модификация обычно заключается в дополнительном кручении части армирующих нитей или в обмотке жгутов углеродных волокон многоволоконной сложнополиэфирной нитью. Недостатком такого подхода является то, что среди обычных армирующих нитей находится большое количество относительно толстых нитей, которые при условиях нагружения ламината проявляют свойства, значительно отличающиеся от свойств остальных нитей армирующего наполнителя. В основном это происходит из-за высокой крутки (260 витков на метр), которая влияет на упругость нити под нагрузкой. Кроме того, высокая крутка препятствует проникновению в такие нити смолы или замедляет этот процесс. Часть нитей несет нагрузку по-разному, что приводит к появлению неоднородной структуры ламината. В результате возрастает риск преждевременного разрушения ламината в условиях статической и, особенно, динамической нагрузки.
[0016] Хорошо известен способ оптимизации пропитки пакета армирующих наполнителей смолой, согласно которому в литьевой форме под пакетом и над ним прокладывается пластиковая сетка или другой материал, способствующий распределению смолы, благодаря которому смола быстро распределяется по всей площади верхней и нижней поверхности армирующего наполнителя. Удаление сеток с поверхности ламината по завершении пропитки и термообработки представляет собой трудоемкую операцию. Назначение сетки состоит в быстром распределении смолы по всей площади литьевой формы, чтобы она как можно скорее начала пропитывать пакет армирующих наполнителей, проникая в него в направлении оси Z. Однако чем толще пакет, тем медленнее он пропитывается смолой. Например, полка лонжерона для лопасти ветроэнергетической установки имеет почти квадратное сечение, так что смола с трудом проникает в центр пакета.
[0017] Известно, что иногда при использовании однонаправленных армирующих наполнителей, особенно ткацкого переплетения, для повышения поперечной устойчивости или лучшего распределения смолы добавляют вспомогательные нити в поперечном направлении. Обычно такие нити покрыты термоплавким клеем или другим термопластичным материалом, и они состоят из стекловолокон или сложного полиэфира (например, скрученных пучков стекловолокон, обычно по 60 или более волокон в пучке, диаметр каждого пучка 10-15 мкм) при типичной линейной плотности с покрытием 100-200 текс. После переплетения термопластичное покрытие нитей подвергают плавлению, и расплав заполняет пустоты между нитями и ровингами, связывая таким образом ровинги основы с уточными нитями. Термопластичное покрытие формируется, как правило, из материалов на основе полиамида (PA) или этиленвинилацетата (EVA), температура плавления которых понижается с добавлением воскообразных веществ или с применением других приемлемых способов. Следовательно, термопластичное покрытие обычно плохо совмещается с инфузионной матрицей смолы, так как из-за относительно высокого содержания связующего вещества в непосредственной близости от армирующей нити в ламинате образуются слабые зоны. Стекловолокно или сложнополиэфирные волокна с клеем остаются в поперечном положении относительно ровингов, придавая армирующему наполнителю поперечную устойчивость перед проведением инфузии или других подобных действий. Смола фактически не достигает поверхности волокон, поскольку волокна покрыты термопластичным материалом.
[0018] Применение вспомогательных нитей такого типа в однонаправленных армирующих наполнителях неоправданно увеличивает вес материала и, возможно, приводит к местной деформации волокон, что в принципе нежелательно. Более того, в поперечных армирующих волокнах, например направленных под углом 90, 60 или 45 градусов, могут возникать микротрещины, когда эти волокна, обычно стекловолокна, ломаются при действии осевой нагрузки на однонаправленную структуру. Такие микротрещины могут приводить к развитию более серьезных усталостных трещин, нарушающих прочность конечного изделия. Причина в данном случае заключается в том, что величина удлинения при разрыве стекловолоконной нити намного меньше соответствующей величины для матрицы в поперечном направлении. Кроме того, многоволоконные стекловолоконные нити или ровинги деформируются, когда на них действует сжимающее усилие под вакуумом, а их изначально поперечное сечение под давлением становится овальным или даже плоским (см. Фиг. 1b). При использовании многоволоконных нитей их отдельные волокна сдвигаются, и поперечное сечение нитей становится овальным или даже плоским. Нити, покрытые термопластичным материалом, при плавлении покрытия на стадии горячего прессования также приобретают плоскую форму в местах пересечения.
2
[0019] Во-первых, на известном уровне техники диаметр скрученных ниток или нитей, т. е. многоволоконных нитей, применяющихся для формирования поперечных каналов распределения, составляет (до воздействия сжатия) приблизительно 0,35-0,45 мм. Для проведения испытаний ламинат формировали укладыванием в литьевую форму пакета из двух слоев армирующего наполнителя плотностью 1200 г/м с поперечными нитями указанного выше диаметра, вакуумированием пакета, выполнением инфузии смолой и выдерживанием ламината до отверждения. Испытания показали, что при сжатии слоев армирующего наполнителя под действием вакуума на стадии инфузии поперечное сечение многоволоконных нитей становилось овальным или плоским. Испытания также показали, что дистанция пропитки армирующего наполнителя либо не изменялась, либо лишь незначительно увеличивалась по сравнению с армирующим наполнителем, в котором поперечные нити отсутствовали. Причины этого более подробно описаны ниже.
[0020] Армирующие наполнители с уточными нитями, покрытыми термоплавким клеем, появились на рынке приблизительно 20 лет назад, но их испытания на прочность как при статической, так и при динамической нагрузке не показали успешных результатов. Кроме того, формовочные свойства таких армирующих наполнителей являются неудовлетворительными. Их практически невозможно использовать при изготовлении полок лонжеронов для лопастей ветроэнергетических установок, так как армирующие наполнители такого типа не способны принимать необходимую двояковогнутую форму полки лонжерона.
[0021] Во-вторых, рассмотрены армирующие наполнители с поперечными стекловолоконными нитями с термопластичным покрытием. В таких армирующих наполнителях диаметр нити с покрытием составлял около 0,30-0,35 мм, а диаметр самой нити после прессования и расплавления или удаления покрытия (т. е. фактически толщина нити в направлении оси Z) составлял 0,04-0,06 мм. Отличие этих нитей с термопластичным покрытием от нитей, не имеющих покрытия, например сшивающих нитей, состоит в том, что в процессе размягчения/плавления покрытия и связывания нитей с ровингами армирующего наполнителя форма нитей изменяется в точках контакта с образованием местных препятствий для распределения (при сжатии уменьшается толщина нитей в направлении оси Z). Иными словами, в тех местах, где покрытая нить не подвергается сжатию, ее диаметр остается неизменным, а в тех точках, где происходит сжатие, диаметр/толщина нити уменьшается до величины, которая даже меньше исходного диаметра нити без покрытия, т. е. основа нити сплющивается при сжатии. Еще одной проблемой при использовании нитей с покрытием является то, что нити имеют повышенную жесткость и относительно большую толщину, вследствие чего в некоторых точках резко изменяется направление ровингов (относительно их прямого направления); изгибы ровингов приводят к сложностям, которые описаны выше, а также будут описаны ниже в этом параграфе. При использовании нитей с покрытием также возникает проблема, связанная с самим полимерным материалом покрытия. Как правило, этот полимер несовместим со смолой и, следовательно, является инородным включением ламината, ухудшающим механическую прочность армирующего наполнителя. Ниже рассмотрен ламинат, сформированный из слоев армирующего наполнителя, связанных между собой поперечными стекловолоконными нитями с покрытием для повышения прочности. Исследования показали, что дистанция пропитки пакетов армирующих наполнителей является в основном приемлемой. Однако испытания на усталостную прочность ламината с поперечными стекловолоконными нитями, диаметр или толщина которых изменяется от приблизительно 0,35 до приблизительно 0,04 мм, показали, что микротрещины ламината появляются вскоре после начала испытания при двухосном растяжении. Тщательное изучение ламината и в первую очередь микротрещин показало, что микротрещины находятся в точках пересечения ровингов армирующего наполнителя и поперечных нитей с покрытием. Не подлежит сомнению, что причиной образования микротрещин является изгиб ровинга из-за слишком большого диаметра поперечной нити. Кроме того, нити с термоплавким покрытием при нагревании подвергаются сжатию, в результате которого сплющивается даже основа нити с образованием плоских участков. Из-за этого сокращается поперечное сечение каналов распределения и, таким образом, возникает сопротивление распределению смолы на стадии инфузии.
[0022] Однако сохранение формы и структуры однонаправленного армирующего наполнителя в поперечном направлении, т. е. связывание ровингов для сохранения формы с помощью термопластичного связующего вещества, возможно, является более перспективным способом формирования армирующих наполнителей, особенно в тех случаях, когда требуется оптимизация усталостных характеристик. Следовательно, были исследованы новые способы повышения проницаемости армирующего наполнителя для смолы.
[0023] Отправной точкой дальнейшей оптимизации однонаправленного армирующего наполнителя является такая структура, в которой вопросы стабильности при технологической обработке и проницаемости для смолы решаются без ущерба для прочностных и особенно усталостных характеристик. Максимальное повышение прочностных и усталостных характеристик ламинатов, производимых на основе такого армирующего наполнителя, требует отказа от стабилизации материала с помощью волокон/нитей, проходящих сквозь армирующий наполнитель в поперечном направлении. Однако при этом затрудняются последующие стадии технологического процесса. Например, на стадиях производства лопасти ветроэнергетической установки армирующие наполнители, часто тяжелые, укладывают в литьевую форму один поверх другого, иногда в 50-60 слоев, длиной в несколько метров, часто до 50-70 метров, а иногда и более. Поперечная устойчивость необходима, чтобы рабочий (-ие), укладывающий (-ие) армирующие наполнители в литьевую форму, мог (могли) точно выровнять каждый армирующий наполнитель в поперечном направлении. Это невозможно, если полотна не обладают достаточной прочностью на поперечное растяжение. Если каналы распределения проходят в продольном направлении от одного конца армирующего наполнителя до другого, как описано в EP-B1-1667838, то эти каналы представляют собой каналообразные линии пониженной прочности, по которым армирующий наполнитель легко разрывается на две или более частей, т. е. на продольные полосы.
[0024] Практика показала, что для применяемых в настоящее время однонаправленных армирующих наполнителей характерны несколько проблемных зон:
a) однонаправленный армирующий наполнитель в своей основной форме с порошковым наполнителем по существу имеет очень ограниченную проницаемость для смолы, особенно в поперечном направлении, следовательно, изготовление длинномерных деталей чрезвычайно осложняется;
b) если проницаемость улучшают с помощью продольных каналов распределения предшествующего уровня техники, армирующий наполнитель теряет поперечную устойчивость;
c) поперечные толстые скрученные многоволоконные нити, протянутые в поперечном направлении и между однонаправленными армирующими наполнителями для создания каналов распределения смолы, создают между ровингами большие промежутки, в которых высока вероятность образования микротрещин, а при вакуумном прессовании многоволоконные нити сжимаются с заметным уменьшением эффективного диаметра (т. е. толщины в направлении оси Z);
d) сплющенные поперечные нити затрудняют протекание смолы в таких каналах распределения;
e) в пакете армирующих наполнителей между волокнами однонаправленных ровингов легко остаются газовые пузыри или непропитанные зоны, которые невозможно убрать даже при вакуумной инфузии и которые способны в еще большей степени снизить прочность конечного изделия; и
f) термопластичное покрытие и термоплавкий клей плохо совмещаются, по меньшей мере в некоторых местах, со смолами, используемыми для инфузии.
[0025] Приведенные выше задачи описаны в одной из находящихся на рассмотрении патентных заявок настоящего патентообладателя. По меньшей мере некоторые из описанных выше задач решаются за счет использования поперечно ориентированных тонких обособленных элементов для формирования каналов распределения смолы совместно с однонаправленными армирующими ровингами, чтобы создать свободные зоны в направлении, поперечном направлению однонаправленных ровингов, как для выхода воздуха из армирующего наполнителя, так и для эффективной пропитки и смачивания материала смолой.
[0026] Однонаправленные армирующие наполнители в соответствии с совместно рассматриваемой патентной заявкой применяются для производства армированных волокном композитных материалов, например ламинатов, из которых производятся полки лонжеронов для лопастей ветроэнергетических установок, одним из методов литьевого прессования полимера или вакуумной инфузии, причем однонаправленный армирующий наполнитель содержит непрерывные однонаправленные ровинги, размещенные в продольном направлении армирующего наполнителя и связанные друг с другом термопластичным и/или термореактивным связующим веществом, причем армирующий наполнитель имеет верхнюю и нижнюю поверхность и снабжен элементами, которые при пропитке пакета армирующих наполнителей облегчают проникновение смолы в армирующий наполнитель в направлении, поперечном направлению однонаправленных ровингов, при этом элементы для облегчения пропитывания представляют собой тонкие обособленные элементы для формирования каналов распределения смолы, расположенные поперек однонаправленных ровингов, причем тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения смолы, образуют по своим сторонам поперечные каналы распределения, которые проходят от одного продольного края однонаправленного армирующего наполнителя до его противоположного продольного края. В данном описании под продольными краями армирующего наполнителя понимаются края полотняного изделия, тянущиеся в продольном направлении обработки, т. е. в направлении однонаправленных ровингов.
[0027] В одной из находящихся на рассмотрении патентных заявок также представлен способ производства однонаправленного армирующего наполнителя для изготовления армированных волокном композитных материалов с помощью способов литьевого прессования полимера или вакуумной инфузии, включающий этапы, на которых: непрерывные ровинги укладывают однонаправленно, бок о бок в один слой для формирования однонаправленного полотна; на полотно наносят термопластичное и/или термореактивное связующее вещество; активируют связующее вещество для связывания ровингов с образованием однонаправленного армирующего наполнителя и укладывают тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, на непрерывные однонаправленные ровинги в направлении, поперечном направлению однонаправленных ровингов.
[0028] Однако проведенные испытания показали, что размещение и особенно закрепление тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, на однонаправленном армирующем наполнителе таким способом, чтобы они сохраняли свое положение от момента изготовления армирующего наполнителя вплоть до окончательного размещения армирующего наполнителя в литьевой форме, является чрезвычайно сложной задачей. Если тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, отделяются от поверхности однонаправленного армирующего наполнителя, они очень легко сдвигаются в стороны и смещаются относительно своего первоначального положения для местного распределения смолы. Это может привести к серьезному нарушению общих свойств распределения смолы. Кроме того, существует вероятность, что тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, полностью разорвутся, покинув местные области без обеспечения функции инфузии, что приведет к возникновению серьезных проблем, касающихся конечного качества изделия.
[0029] Типичным способом использования данного типа армирующего наполнителя является способ, при котором слои армирующего наполнителя разматывают один за другим из большого рулона и помещают в литьевую форму, которая может иметь длину 60 м и ширину 1 м, и количество слоев может достигать 60. Чтобы разместить слои точно в правильном положении, их осторожно сдвигают в стороны. Таким образом, существует значительное трение между слоями, и важное значение имеет хорошая адгезия тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения.
[0030] Иными словами, так как крепление на однонаправленном армирующем наполнителе тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, подвержено трению в различных направлениях в процессе наматывания, разматывания, обрезки и размещения армирующего наполнителя в литьевой форме, высок риск отрыва тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, от поверхности армирующего наполнителя. Если тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, отрываются от поверхности и смещаются в стороны, разрываются, или происходит и то, и другое, затрудняется пропитывание пакета армирующих наполнителей, и оно сопровождается высоким риском неполного пропитывания и задерживания пузырьков воздуха в пакете армирующих наполнителей, что приводит к снижению качества изделия.
[0031] Другая проблема, которую выявили проведенные испытания, относится к явлению, называемому «кристаллизация», действию которого может быть подвержен полимер моноволокна и/или связующее вещество полимера. Это означает, что структура полимера постепенно изменяет собственное расположение на более организованное, что отражается в снижении адгезии. Скорость изменения структуры полимера значительно отличается у различных полимеров, т. е. от минут до месяцев.
[0032] Хорошая адгезия тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, является особенно важной для всего концепта.
Определения
[0033] Следующие определения приведены для пояснения некоторых терминов, часто используемых в этом описании и в формуле настоящего изобретения. Данные пояснения предназначены для облегчения понимания, а не для ограничения области настоящего изобретения.
[0034] Поверхностная плотность - вес (масса) единицы площади одного слоя сухой армирующей ткани.
[0035] Связующее вещество - полимерный материал, применяемый в различных формах, например в виде порошка, пленки или жидкости. Связующие вещества могут состоять из отдельных полимеров или их смеси с различными физическими и химическими свойствами, такими как жесткость, температура плавления, полимерная структура, температура стеклования и т. п. Связующее вещество применяется для скрепления структур волокон с формированием полотна и, в конечном счете, армирующего наполнителя. Для этих целей подходят, среди прочих, термопластичные эпоксидные смолы, сополимеры сложных полиэфиров, бисфенольные ненасыщенные сложные полиэфиры или их смеси.
[0036] Обособленные элементы - нитевидные «одномерные» элементы, термин используется с целью четкого обособления от полотен, сетей или сеток, т. е. «двухмерных» элементов.
[0037] Ткань - гибкий тканый материал, состоящий из переплетения натуральных или искусственных волокон, часто называемых нитками или нитями. Ткани образуют, например, путем ткацкого переплетения, трикотажного переплетения, вязания крючком, вязания узлом, иглопробивания или прессования волокон (войлок).
[0038] Ламинат - материал, получаемый путем пропитки одного или более слоев армирующего наполнителя смесью соответствующей смолы с отвердителем с последующим отверждением в результате химической реакции или охлаждения. Ламинат представляет собой армированную волокном структуру, состоящую из полимерной матрицы и тонких армирующих волокон, например стеклянных, углеродных, арамидных и т. п. Матрица может состоять из термореактивных полимеров (чаще всего эпоксидной смолы, сложного полиэфира, сложного винилэфира) или из термопластичных полимеров. Армирующее стекловолокно часто используется в корпусах небольших судов, в деталях автомобилей, в лопастях ветроэнергетических установок и т. п.
[0039] Матрица - материал, связывающий армирующие наполнители с образованием композитного материала. В качестве матрицы композитных материалов используются, среди прочих, полимеры специального состава, такие как термореактивные эпоксидные смолы, сложные винилэфирные смолы, ненасыщенные сложные полиэфирные смолы, фенолформальдегидные смолы или термопластичные смолы (см. «Полимер»).
[0040] Моноволокно - нить, состоящая из одного непрерывного волокна, полученного, как правило, из синтетического материала, например полиамида (нейлон), полиэтилентерефталата, полипропилена, полибутилентерефталата и т. п.
[0041] Многоосевой армирующий наполнитель - армирующий наполнитель, сформированный из двух или более слоев армирующих ровингов, причем ровинги одного слоя имеют одно направление, а ровинги смежных слоев направлены под определенным углом, обычно 45, 60 или 90 градусов.
[0042] Многоволоконная нить - нить, состоящая из множества непрерывных волокон, обычно образованных из синтетического материала, такого как полиамид (нейлон), полиэтилентерефталат, полипропилен, полибутилентерефталат и т. п. В контексте настоящего изобретения под многоволоконной нитью понимается скрученный или нескрученный пучок волокон, не связанных между собой, который, если его не подвергать высокой крутке, может под действием сжатия смещаться в боковом направлении.
[0043] Полимер - в общем случае термин включает в себя, например, гомополимеры и сополимеры, такие как, например, блок-сополимеры, привитые, статистические и чередующиеся сополимеры, тройные сополимеры и т. п., а также их смеси и модификации. Более того, если не оговариваются особые ограничения, термин «полимер» включает в себя все возможные геометрические конфигурации материала. К таким конфигурациям относятся, например, полимеры изотактического, синдиотактического и нерегулярного строения.
[0044] Армирующее полотно - полотно, содержащее армирующие волокна, причем волокна скрепляются с помощью подходящих средств. Армирующие наполнители часто производят в виде непрерывных полотен. Известно несколько способов производства армирующего наполнителя однонаправленной, многоосевой и случайной ориентации, например такие текстильные производственные технологии, как ткацкое переплетение, вязание, плетение, сшивание, или связывание с использованием подходящего связующего вещества.
[0045] Армирующие нити - нити, наряду с матрицей входящие в состав композитных материалов. Нити - пучки волокон, собранные вместе со скручиванием или без скручивания. Для этой цели обычно используются искусственные волокна, например стеклянные (со всеми модификациями), углеродные (со всеми модификациями) или арамидные, как прерывные, так и непрерывные волокна. Также используются самые разнообразные натуральные волокна, например, среди прочих, сизаль, лен, джут, кокосовое волокно, кенаф, пенька или базальт.
[0046] Литьевое прессование полимера (RTM) - технологический процесс получения изделий в литьевой форме, состоящей из двух поверхностей, в которую смола подается, как правило, с низкой вязкостью под низким или высоким давлением, причем в литьевую форму, как правило, помещают заготовку сухого армирующего наполнителя. Смолу закачивают в заготовку и получают деталь из композитного состава с армирующим волокном.
[0047] Ровинг - длинный узкий пучок нескрученных непрерывных волокон, в частности стеклянных волокон. В контексте настоящего изобретения ровинг является синонимом термина «жгут». Кроме стеклянных волокон применяются также углеродные, базальтовые и арамидные волокна, по большому счету искусственные непрерывные волокна.
[0048] Группа ровингов или группа жгутов - один или более жгутов или ровингов, которые расположены близко друг к другу.
[0049] Сшивающая нить - нить, сформированная из 24 или 48 отдельных волокон, изготовленных из структурно-модифицированного сложного полиэфира. Как правило, для производства однонаправленных армирующих наполнителей используется сшивающая нить с линейной плотностью 76 или 110 дтекс. Отдельные волокна имеют диаметр, как правило, от 5 до 10 мкм.
[0050] Число текс - единица измерения линейной плотности нитей, масса 1000 метров нити в граммах. Текс используют для обозначения линейной плотности в Канаде и континентальной Европе, а в США и Великобритании чаще используют денье. Обозначение единицы - текс. В отношении искусственных синтетических волокон чаще применяется децитекс (сокращенно дтекс), т. е. масса 10 000 метров нити в граммах.
[0051] Текстиль - общее наименование различных изделий, в том числе листов, полотен, тканей и матов, состоящих из одного или более слоев, сформированных из однонаправленных или разнонаправленных нитей.
[0052] Термопласты - плавкие полимеры, размягчающиеся при нагревании и, как правило, снова затвердевающие при охлаждении до комнатной температуры. К термопластичным материалам относятся, например, поливинилхлориды, некоторые сложные полиэфиры, полиамиды, полифторуглеводороды, полиолефины, некоторые полиуретаны, полистиролы, поливиниловый спирт, капролактамы, сополимеры этилена с по меньшей мере одним виниловым мономером (например, полиэтиленацетаты), сложные эфиры целлюлозы и акриловые смолы.
[0053] Термореактивные пластмассы - необратимо отверждаемые полимерные материалы. Их отверждение осуществляется путем нагревания (как правило, выше 200 градусов Цельсия), контакта с химической субстанцией (например, двухкомпонентными эпоксидными составами) или облучения (например, электронно-лучевой обработки).
[0054] Нитка - скрученный пучок волокон, нить.
[0055] Жгут - в области композитных материалов это нескрученный пучок непрерывных волокон. Термин относится к искусственным волокнам, в частности углеродным волокнам (также называются графитовыми волокнами). Жгуты обозначаются в соответствии с количеством содержащихся в них волокон. Например, жгут 12К состоит из приблизительно 12000 волокон. В данном документе жгут - синоним ровинга.
[0056] Поперечная устойчивость - сила, препятствующая деформации и разрыву однонаправленного армирующего наполнителя. Такая устойчивость необходима при расположении армирующего наполнителя в литьевой форме на другом армирующем наполнителе, а также когда необходимо сдвигать армирующий наполнитель в направлении, поперечном продольному направлению.
[0057] Однонаправленный армирующий наполнитель - армирующий наполнитель, в котором все ровинги или жгуты проходят в одном направлении, в данном случае - в продольном направлении. Существуют также поперечные однонаправленные армирующие наполнители. На предшествующем уровне техники ровинги в однонаправленных армирующих наполнителях скрепляются с помощью сшивки и, как правило, содержат дополнительные тонкие слои рубленных нитей или непрерывных многоволоконных нитей для того, чтобы ровинги не распадались на отдельные пучки. Для скрепления ровингов применяется также ткацкое переплетение, в котором уточные нити придают прочность. Уточные нити могут также быть покрыты термоплавким клеем. Еще одним способом скрепления ровингов или жгутов является применение связующего вещества, например, термопластичного или термореактивного связующего вещества. При использовании связующего вещества также возможно применение дополнительных упрочняющих слоев.
[0058] Вакуумная инфузия - процесс формования конечного изделия в односторонней форме. Снизу помещается жесткая форма, а сверху - гибкая мембрана или вакуумный мешок. С помощью вакуумного насоса из полости литьевой формы удаляют воздух, после чего в полость всасывается смола (возможно, под небольшим давлением со стороны подачи, что характерно для легкого литьевого прессования (Light RTM)), полностью пропитывая армирующие наполнители и обеспечивая отсутствие воздушных пустот в структуре ламината.
[0059] Дистанция пропитки - положение фронта распределяющейся смолы или фактическое расстояние от точки введения смолы в пакет армирующего наполнителя до текущего положения фронта.
[0060] Нить - длинный сплошной отрезок, часто скрученный, многоволоконная нить. Применяется для изготовления текстиля, шитья, вязания, вышивки, изготовления тканей, трикотажа, свивания веревок и канатов. Нити изготавливают из прерывистых и непрерывных натуральных или синтетических волокон.
[0061] Ось Z - направление, перпендикулярное плоскости слоя или пакета слоев, т. е. направление толщины.
Краткое изложение сущности изобретения
[0062] Целью настоящего изобретения является обеспечение решения по меньшей мере одной из описанных выше проблем.
[0063] Другой целью настоящего изобретения является разработка нового однонаправленного армирующего наполнителя с высокой проницаемостью для смолы в направлении, поперечном ориентации армирующих волокон.
[0064] Еще одной целью настоящего изобретения является разработка нового однонаправленного армирующего наполнителя с высокой способностью к вакуумированию и удалению воздуха из пакета армирующих наполнителей, а также последующей пропитке пакета смолой в направлении, поперечном ориентации армирующих волокон.
[0065] Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является разработка нового однонаправленного армирующего наполнителя, в котором тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, закреплены на поверхности армирующего наполнителя таким образом, что они не отрываются от поверхности при обращении с армирующим наполнителем.
[0066] Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является разработка нового однонаправленного армирующего наполнителя с высокой проницаемостью для смолы в направлении оси Z, т. е. под прямым углом к плоскости армирующего наполнителя, т. е. в направлении толщины.
[0067] В настоящем документе представлено решение по меньшей мере одной из вышеописанных задач, и по меньшей мере одна из целей настоящего изобретения достигается путем использования однонаправленного армирующего наполнителя для изготовления армированных волокном композитных материалов с применением способа закрытой формы, например способа литьевого прессования полимера (RTM), легкого литьевого прессования (Light RTM) и вакуумной инфузии, причем однонаправленный армирующий наполнитель содержит непрерывные однонаправленные ровинги, размещенные в продольном направлении армирующего наполнителя и связанные между собой термопластичным и/или термореактивным связующим веществом, причем армирующий наполнитель имеет два продольных края, верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, при этом однонаправленный армирующий наполнитель содержит обособленные элементы для облегчения распределения смолы как в поперечном направлении, так и в направлении оси Z; обособленные элементы для облегчения распределения смолы проходят в поперечном направлении назад и вперед между продольными краями армирующего наполнителя, перемещаются между верхней и нижней поверхностями армирующего наполнителя и формируют каналы распределения смолы по своим сторонам.
[0068] В настоящем документе представлено решение по меньшей мере одной из вышеописанных задач, и по меньшей мере одна из целей настоящего изобретения достигается путем использования однонаправленного армирующего наполнителя для изготовления армированных волокном композитных материалов с применением способа закрытой формы, например способа литьевого прессования полимера (RTM) или вакуумной инфузии, причем однонаправленный армирующий наполнитель содержит непрерывные однонаправленные ровинги, размещенные в продольном направлении армирующего наполнителя и связанные между собой термопластичным и/или термореактивным связующим веществом, при этом армирующий наполнитель имеет два продольных края, верхнюю поверхность и нижнюю поверхность и снабжен элементами, которые при пропитке пакета армирующих наполнителей облегчают проникновение смолы в армирующий наполнитель в направлении, поперечном направлению однонаправленных ровингов, причем эти облегчающие пропитку элементы представляют собой обособленные тонкие элементы для формирования каналов распределения смолы, расположенные поперек однонаправленных ровингов на по меньшей мере одной из верхней и нижней поверхности армирующего наполнителя, и эти обособленные тонкие элементы для формирования каналов образуют по обе стороны от себя поперечные каналы распределения смолы, проходящие от одного продольного края однонаправленного армирующего наполнителя до его противоположного продольного края, и тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, закреплены на однонаправленных ровингах при помощи дополнительных нитей, проходящих поперек тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, и по ним, причем каждая дополнительная нить проходит по одной такой поверхности армирующего наполнителя, которая имеет уложенные на ней тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, и дополнительные нити за счет адгезии связываются с по меньшей мере однонаправленными ровингами.
[0069] По меньшей мере одна из проблем предшествующего уровня техники решается и по меньшей мере одна из целей достигается с помощью способа получения однонаправленного армирующего наполнителя для производства армированных волокном композитных материалов посредством способа закрытой формы, например литьевого прессования полимера или вакуумной инфузии, который включает этапы, на которых:
a) непрерывные ровинги укладывают однонаправленно, бок о бок в по меньшей мере два листа;
b) листы удерживают раздельно в вертикальном направлении при помощи вертикального зазора между листами;
c) однонаправленные ровинги каждого листа организуют в группы ровингов, между которыми имеются пустые промежутки, причем каждая группа имеет по меньшей мере один ровинг;
d) в вертикальный зазор между листами вводят обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z;
e) обеспечивают прохождение обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z в поперечном направлении назад и вперед между продольными краями листов;
f) листы и расположенные между ними обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z подают между элементами для формирования листов в единое полотно, которое имеет верхнюю поверхность и нижнюю поверхность, причем обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z перемещаются между группами ровингов и между верхней и нижней поверхностями единого полотна;
g) после этапа a) на листы (122', 122'') наносят термопластичное и/или термореактивное связующее вещество (блок 124); и
h) активируют связующее вещество для связывания ровингов и формирования однонаправленного армирующего наполнителя.
[0070] По меньшей мере одна из проблем предшествующего уровня техники решается и по меньшей мере одна из целей достигается с помощью способа получения однонаправленного армирующего наполнителя для производства армированных волокном композитных материалов посредством способа закрытой формы, например литьевого прессования полимера или вакуумной инфузии, который включает этапы, на которых:
a) непрерывные ровинги укладывают однонаправленно, бок о бок в по меньшей мере один лист, имеющий два продольных края, верхнюю поверхность и нижнюю поверхность;
b) тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, укладывают в направлении, поперечном направлению однонаправленных ровингов, на непрерывных ровингах на по меньшей мере одной из верхней поверхности и нижней поверхности по меньшей мере одного листа;
с) дополнительные нити укладывают поперек тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, и на них, а также на ровинги, причем каждая дополнительная нить проходит по одной такой поверхности по меньшей мере одного листа, на которой уложены тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения;
d) после этапа a) на по меньшей мере один лист наносят термопластичное и/или термореактивное связующее вещество;
e) после этапа d) активируют связующее вещество для связывания ровингов между собой с образованием однонаправленного армирующего наполнителя, имеющего два продольных края, верхнюю поверхность и нижнюю поверхность;
f) тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, связывают на непрерывных однонаправленных ровингах либо на этапе e), либо на отдельном этапе после этапа e);
g) дополнительные нити и тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, связывают вместе на ровингах на этапе f), либо на ровингах и на тонких обособленных элементах, формирующих каналы распределения, на отдельном этапе после этапа f).
[0071] Другие отличительные признаки однонаправленного армирующего наполнителя настоящего изобретения и способ его производства описаны в прилагаемой формуле изобретения.
[0072] С помощью настоящего изобретения можно обеспечить по меньшей мере некоторые из перечисленных ниже преимуществ:
• сшивки и поперечные скрепляющие нити заменены скрепляющей системой, которая исключает нежелательные изгибы, возникающие при сшивке, причем
• прочностные характеристики армирующего наполнителя улучшаются благодаря тому, что его армирующие волокна остаются прямыми;
• производительность не ограничивается выполняющим сшивку устройством;
• проницаемость однонаправленных армирующих наполнителей для смолы улучшается в достаточной степени, чтобы обеспечить хорошее распределение смолы;
• одновременно с пропиткой материала удаляется остающийся в нем воздух, благодаря чему после пропитки в материале практически не остается непропитанных зон или газовых пузырей между однонаправленными волокнами;
• дистанция пропитки смолой в поперечном направлении значительно увеличивается: проведенные эксперименты показали увеличение в по меньшей мере 2,5 раза по сравнению со сшитыми однонаправленными армирующими наполнителями и намного большее увеличение по сравнению с несшитыми однонаправленными армирующими наполнителями;
• существенно сокращается время, необходимое для пропитки: проведенные эксперименты показали по меньшей мере шестикратное сокращение необходимого времени по сравнению с армирующими уплотнителями предшествующего уровня техники;
• сведены к минимуму недостатки, присущие сшитой структуре;
• конечное изделие имеет превосходные прочностные и усталостные характеристики;
• сведены к минимуму недостатки, связанные с химическим воздействием на матрицу;
• отпадает необходимость в каких-либо поперечных армирующих волокнах или скрепляющих нитях для обеспечения достаточной поперечной устойчивости;
• благодаря пониженной гибкости однонаправленный армирующий наполнитель с порошковым связующим веществом допускает плоскую укладку в литьевой форме даже в том случае, когда пакет армирующих наполнителей размещается в вогнутой форме. Такая особенность намного снижает вероятность формирования складок или особых зон ровингами армирующего наполнителя, изгибающимися внутри ламината;
• так как исключается вероятность складок и изгибов за счет применения порошкового связующего вещества, получаемый армирующий наполнитель особенно хорошо подходит для получения ламинатов на основе углеродных волокон. Такая особенность объясняется тем, что внутренние складки и изгибы значительно снижают прочность при сжатии ламинатов на основе углеродных волокон; и
• поскольку тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, закреплены на поверхности армирующего наполнителя с помощью нитей, проходящих поперек тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, обеспечивается высокое качество как армирующего наполнителя, так и конечного изделия, выполненного из армирующих наполнителей.
Краткое описание чертежей
[0073] Ниже со ссылкой на прилагаемые фигуры представлено более подробное описание однонаправленного армирующего наполнителя настоящего изобретения и способ его получения.
На Фиг. 1 a и 1 b схематически представлено сравнение характера изменения тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, в данном случае моноволокон, и многоволоконной нити при сжатии между двумя армирующими наполнителями или слоями ровингов.
На Фиг. 2 схематически представлено изображение способа получения однонаправленного армирующего наполнителя предшествующего уровня техники.
На Фиг. 3 представлено сравнение динамики пропитки смолой сшитого однонаправленного армирующего наполнителя предшествующего уровня техники и трех различных однонаправленных армирующих наполнителей с порошковым связующим веществом.
На Фиг. 4 схематически представлен способ получения однонаправленного армирующего наполнителя в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 5 представлен однонаправленный армирующий наполнитель в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 6 схематически представлен частичный вид сбоку способа получения однонаправленного армирующего наполнителя в соответствии со вторым и третьим предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 7 схематически показан частичный вид сверху способа получения однонаправленного армирующего наполнителя в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 8a и Фиг. 8b более подробно представлено, как обособленный элемент для облегчения распределения смолы в направлении оси Z из Фиг. 7 вводят для проведения через однонаправленные листы.
На Фиг. 9 схематически представлен частичный вид сверху способа получения однонаправленного армирующего наполнителя в соответствии с третьим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 10a-10d более подробно, но все еще схематически с помощью видов с торца представлены четыре различные стадии способа получения однонаправленного армирующего наполнителя в соответствии со вторым или третьим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 11a-11f с помощью вида с торца (и сравнения с Фиг. 10a) представлены различные возможные конфигурации для проведения обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z и для группировки ровингов с помощью обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z.
На Фиг. 12 представлен однонаправленный армирующий наполнитель в соответствии со вторым или третьим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание чертежей
[0074] Выше описаны четыре разных фактора, влияющих на создание поперечных каналов распределения для смолы в соответствующих армирующих наполнителях. Во-первых, использование стандартных термопластичных нитей с покрытием из термоплавкого клея там, где плавится связующее вещество, нежелательно из-за несовместимости термопластичного материала с материалом матрицы. Во-вторых, если нить, подвергнутая сжатию при вакуумировании литьевой формы, имеет слишком большую толщину в направлении оси Z (0,3-0,4 мм), то вероятность возникновения микротрещин в конечном изделии при динамической нагрузке будет слишком велика. В-третьих, многоволоконная нить без покрытия при сжатии в поперечном сечении становится плоской или овальной, нарушая распределение смолы. В-четвертых, производство длинномерных армированных изделий, например полок лонжеронов для лопастей ветроэнергетических установок, практически невозможно в том случае, когда отсутствует возможность эффективного распределения смолы и пропитки пакета армирующих наполнителей под прямым углом, т. е. в направлении, поперечном направлению однонаправленных армирующих ровингов.
[0075] С учетом перечисленных выше обстоятельств была испытана возможность использования при создании каналов распределения смолы поперечных тонких обособленных элементов меньшего диаметра и проведено сравнение свойств полученных ламинатов с ламинатами предшествующего уровня техники, в которых для обеспечения поперечной устойчивости армирующего наполнителя используются поперечные многоволоконные нити. Следует учесть, что определения «тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения» или «тонкие обособленные элементы для формирования каналов распределения» относятся, без ограничений, к моноволокнам. Для создания каналов распределения смолы между слоями армирующего наполнителя могут также рассматриваться многоволоконные нити и другие непрерывные элементы при условии, что они имеют общий диаметр в приведенном ниже диапазоне, они не формируют тканую структуру с армирующими ровингами и они соответствуют приведенному ниже требованию. Иными словами, многоволоконные нити и другие непрерывные элементы или их нанесение и структура должны соответствовать одному условию. В данном описании слово «непрерывные» при использовании в сочетании с поперечными элементами для создания каналов распределения смолы должно пониматься в широком смысле, иными словами, слово «непрерывные» охватывает также элементы для создания каналов распределения, тянущиеся, более предпочтительно, на всю ширину полотна, или даже более короткие элементы для создания каналов распределения, поскольку они размещены так, что каналы распределения тянутся непрерывным образом от одного края полотна к противоположному краю полотна. Многоволоконные нити или другие непрерывные элементы должны действовать как моноволокно, т. е. они не должны сжиматься так, как обычно сжимаются многоволоконные нити, т. е. позволяя отдельным волокнам сдвигаться в сторону при сжатии, в результате чего поперечное сечение многоволоконной нити становится не круглым, а плоским или лентообразным. Такой вид требования на практике означает, что многоволоконная нить должна иметь связующее вещество с таким условием, что отдельные волокна многоволоконной нити сплавляются вместе или связующее вещество связывает вместе отдельные волокна в соответствии со способом получения при изготовлении однонаправленного полотна таким образом, что на практике структура многоволоконной нити изменяется на моноволоконную на ровингах и внутри ламината. Всесторонние испытания, включавшие сравнение показателей дистанции пропитки и усталостной прочности, показали, что для поперечных тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, оптимальный диапазон диаметра или толщины в направлении оси Z составляет от 100 до 200 мкм, предпочтительно от 130 до 170 мкм. Однако при использовании особо тяжелых армирующих наполнителей могут применяться диаметры вплоть до 300 мкм. Следует пояснить, что под диаметром, как в представленном выше описании, так и в других случаях, когда в данном документе упоминается диаметр, применительно к сжимаемому моноволокну или тонкому элементу, формирующему каналы распределения, следует понимать поперечный, в направлении оси Z, размер моноволокна или тонкого элемента, формирующего каналы распределения, при сжатии, иными словами, при вакуумировании или под действием давления RTM в закрытой литьевой форме. Испытания показали, что смола очень быстро заполняла все пустоты и вытесняла весь воздух, не удаленный в процессе вакуумирования перед началом инфузии. При сравнении дистанции пропитки, достигнутой в пакете слоев армирующего наполнителя, имеющего тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения и имеющие толщину 130 мкм, и в ламинате предшествующего уровня техники, полученном с использованием поперечных нитей, проходящих под углом 90° или +/-45 градусов относительно продольного направления ровингов, было отмечено двукратное увеличение дистанции пропитки в пакете слоев однонаправленного армирующего наполнителя, имеющего тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения. При сравнении дистанции пропитки, достигнутой в пакете слоев армирующего наполнителя, изготовленного из однонаправленных ровингов с порошковым связующим веществом с применением поперечных тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, толщиной 130 мкм с дистанцией пропитки ламината, изготовленного из однонаправленных ровингов с порошковым связующим веществом без применения поперечных нитей или тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, по истечении определенного времени было отмечено приблизительно 16-кратное увеличение дистанции пропитки в пакете слоев однонаправленного армирующего наполнителя, имеющего тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения. Кроме того, после отверждения ламината, полученного согласно настоящему изобретению, были проведены его испытания на усталостную прочность в сравнении с прочностью ламината предшествующего уровня техники, полученного с использованием поперечных нитей, проходящих под углом 90° или +/-45 градусов относительно продольного направления ровингов. Испытания показали, что усталостные характеристики ламината, полученного согласно настоящему изобретению, изготовленного из слоев однонаправленного армирующего наполнителя, имеющего тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения, заметно превышают показатели ламината предшествующего уровня техники. Единственной причиной такого улучшения усталостных характеристик является меньшее количество изгибов в однонаправленных армирующих ровингах однонаправленного армирующего наполнителя с порошковым связующим веществом, лучшее удаление воздуха из пакета армирующих наполнителей и, в результате, меньшее количество пустот на стадии инфузии. Таким образом, были определенно улучшены параметры способа и свойства изделия, в том числе скорость пропитки, прочность и усталостные характеристики.
[0076] Один из проведенных экспериментов был предназначен для проверки возможности применения многоволоконных нитей для формирования каналов распределения. Так как первые эксперименты показали, что применение тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, т. е. моноволокна толщиной (диаметром) в направлении оси Z 130 мкм не приводит к ухудшению усталостных характеристик конечного ламината, следующие эксперименты были проведены для определения типа многоволоконной нити, который при сжатии обеспечит приблизительно такую же толщину в направлении оси Z, которая была характерна для тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, использованных в первых экспериментах.
[0077] На Фиг. 1a и 1b в поперечном сечении схематически представлено сравнение характера изменения тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, в данном случае моноволокна, и многоволоконной нити при сжатии на стадии вакуумной инфузии между двумя армирующими наполнителями или слоями ровингов. На Фиг. 1а в поперечном сечении показаны два наложенных друг на друга армирующих наполнителя 2 и 4, изготовленных из пучков ровингов, скрепленных термопластичным и/или термореактивным порошковым связующим веществом, и моноволокно 6, размещенное между ними под прямым углом к однонаправленным ровингам. На Фиг. 1b показаны те же армирующие наполнители 2 и 4, изготовленные из пучков ровингов, скрепленных термопластичным и/или термореактивным порошковым связующим веществом, и многоволоконная нить 8, размещенная между ними под прямым углом к ровингам. На Фиг. 1а показано, что моноволокно раздвигает ровинги армирующих наполнителей 2 и 4 или удерживает их на расстоянии таким образом, что между армирующими наполнителями 2 и 4 по бокам от моноволокна 6 формируются свободные каналы 10 распределения. На Фиг. 1b показаны ровинги армирующих наполнителей 2 и 4, раздвинутые так же, как и на Фиг. 1а, т. е. толщина двух армирующих наполнителей с поперечным моноволокном или с многоволоконной нитью одинакова. Однако можно увидеть, что многоволоконная нить 8, раздвигающая ровинги или удерживающая их на расстоянии, значительно отличается размером и площадью поперечного сечения. Под действием сжатия многоволоконная нить 8 приобретает овальную или плоскую форму до такой степени, что по ее бокам практически отсутствуют каналы 12, пригодные для распределения.
[0078] Причина заключается в том, что многоволоконные нити состоят из десятков или сотен отдельных волокон, каждое из которых обычно имеет диаметр 5-10 мкм. Когда находящаяся в литьевой форме многоволоконная нить подвергается сжатию, т. е. на стадии вакуумной инфузии, ее волокна, даже если они скручены, под действием давления сдвигаются в стороны, а толщина многоволоконной нити в направлении оси Z уменьшается в несколько раз по сравнению с кажущимся исходным диаметром. Крутка нити, как правило, является невысокой и находится в пределах 20-40 кручений на метр, так как смола должна проникать также между волокнами скрученной нити, заполняя все сухое пространство между ними. Проведенные испытания показали, что многоволоконная сложнополиэфирная нить, сжатая под давлением 0,5 бар (меньшим, чем давление 0,95 бар при инфузии) до толщины 130 мкм, имеет линейную плотность 1120 дтекс, тогда как моноволокно с линейной плотностью 167 дтекс имеет аналогичный диаметр 130 мкм, как под давлением, так и без него. В одинаковых условиях линейная плотность стекловолоконной нити может приблизительно в 18 раз превосходить линейную плотность моноволокна. Очевидно, что многоволоконные нити при сжатии заполняют пустоты, которые первоначально до начала сжатия присутствуют рядом с многоволоконной нитью. Это препятствует распределению смолы по этим пустотам или каналам.
[0079] Нити с высокой круткой, в пределах 150 кручений на метр и более, оказывают заметное сопротивление сжатию под вакуумом. Однако их применение в композитных материалах нежелательно, так как они медленно и в недостаточной степени пропитываются смолой, а их скрученные волокна при растяжении отличаются худшей упругостью по сравнению со смежными по существу нескрученными нитями ровинга. Более того, из-за худшей упругости скрученных нитей в однонаправленных армирующих ровингах образуются изгибы. Крутка нитей допустима, но она должна быть низкой, т. е. в пределах 20-40 кручений на метр, так как необходимо, чтобы смола проникала между волокнами скрученной нити. С точки зрения распределения смолы это означает, что каждое сдвинутое вбок волокно уменьшает поперечное сечение полости сбоку многоволоконной нити, которое становится практически непригодным для распределения смолы.
[0080] На Фиг. 2 схематически представлено изображение способа получения однонаправленного армирующего наполнителя предшествующего уровня техники. Процесс производства однонаправленного армирующего наполнителя состоит из следующих стадий. Сначала однонаправленные ровинги (предпочтительно, но не обязательно стеклянные, углеродные, арамидные, асбестовые или базальтовые или изготовленные из льна, джута, пеньки, сизаля, кокоса, кенафа и других натуральных волокон) извлекают из упаковок 22 и размещают бок о бок или на определенном расстоянии друг от друга, например, с помощью гребня, чтобы сформировать однородное полотно 20 в соответствии с требуемой поверхностной плотностью. Здесь и далее термин «ровинг» применяется для обозначения всех таких жгутов, ровингов, волокон и т. п., используемых при производстве однонаправленных армирующих наполнителей. Таким образом, ровинги размещают бок о бок предпочтительно в один слой ровингов, но также возможно и наличие нескольких слоев ровингов в зависимости от поверхностной плотности армирующего наполнителя и числа текс используемых ровингов.
[0081] Затем полотно 20 направляют в установку 24 для нанесения связующего вещества. Связующее вещество могут наносить несколькими способами. В иллюстративной системе используется термопластичное порошковое связующее вещество, которое распределяется с помощью устройства 24 по всем поверхностям полотна, т. е. не только по верхней поверхности полотна 20, но и вокруг отдельных ровингов. Необходимо покрыть ровинги тонким равномерным слоем порошкового связующего вещества. В устройстве 24 можно, например, применять вибрацию полотна ровингов, а порошок первоначально распределять, используя циркулирующий воздух. В отличие от простого рассеивания, в устройстве 24 порошковое связующее вещество покрывает не только верхние поверхности ровингов или только поверхность полотна сверху. Например, необходимо, чтобы связующее вещество также проникало под ровинги, т. е. на нижнюю поверхность полотна, чтобы предотвратить провисание свободных ровингов или волокон. Для обеспечения поперечной устойчивости связующее вещество должно также проникать между ровингами.
[0082] Следует также учесть, что существует много способов нанесения порошкового связующего вещества на ровинги.
2
2
2
[0083] Количество связующего вещества необходимо тщательно подбирать, так как именно за счет связующего вещества обеспечивается поперечная устойчивость однонаправленных армирующих наполнителей. Однако в данном случае, как отмечалось выше, требуется оптимизация. Чем большее количество связующего вещества наносится на армирующий наполнитель, тем выше его поперечная устойчивость. Но в то же время большее количество нанесенного связующего вещества приводит к получению более жесткого армирующего наполнителя, и тем сложнее будет уложить его по контуру литьевой формы. Следовательно, количество связующего вещества должно быть минимально возможным для обеспечения достаточной поперечной устойчивости. Кроме того, количество связующего вещества следует ограничивать во избежание проблем с несовместимостью связующего вещества и матрицы. Таким образом, расход связующего вещества для однонаправленного армирующего наполнителя с тонкими поперечными обособленными элементами, формирующими каналы распределения, для армирующего наполнителя с поверхностной плотностью 1000-1200 г/м составляет 5-30 г/м, предпочтительно приблизительно 8-15 г/м. Очевидно, что при меньшей поверхностной плотности требуется меньшее количество связующего вещества, и наоборот.
[0084] Однако следует учитывать, что связующие вещества можно применять не только в виде сухого порошка, но также, среди прочего, в форме жидкостей или полимеров с обеспечением снижения вязкости за счет нагрева или других действий. Следовательно, в общем случае связующие вещества можно называть полимерными связующими веществами. Жидкие связующие вещества могут применяться в виде водных дисперсий, растворов на основе различных растворителей или других систем. Поскольку применение связующего вещества может включать разные действия, например нагревание и/или распыление растворителя, и/или выпаривание растворителя, этот процесс можно называть активацией связующего вещества (или просто активацией). Связующее вещество можно наносить, среди прочего, путем распыления, экструзии (в виде расплава), центробежного распыления и т. п. Полимер может быть термопластичным или термореактивным полимером или их смесью.
[0085] После нанесения порошкового или жидкого связующего вещества на всю поверхность полотна 20 полотно передается в устройство 26 для размещения или укладки на него тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, в направлении, поперечном направлению хода полотна. Тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, имеют диаметр 100-300 мкм, предпочтительно 100-200 мкм, еще более предпочтительно 130-170 мкм. Следует понимать, что на этой стадии тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, следует выбирать с учетом их сжимаемости, чтобы в случае сжатия тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, на стадии инфузии их толщина в направлении оси Z находилась в пределах 100-300 мкм, предпочтительно 100-200 мкм, еще более предпочтительно 130-170 мкм. Такой диаметр является оптимальным в том случае, когда вязкость вводимой смеси смолы с отвердителем при комнатной температуре составляет от 200 до 350 мПа. Если очевидно, что значение вязкости выходит за эти пределы, необходимо отрегулировать расстояние между смежными тонкими обособленными элементами, формирующими каналы распределения, или их диаметр/толщину в направлении оси Z. В настоящей заявке в данном конкретном случае и во всех других случаях слово «поперечный» следует понимать в широком смысле, так как тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, могут лежать под углом ±45 градусов, т. е. от -45 до +45 градусов, к направлению, перпендикулярному ровингам однонаправленного полотна, т. е. тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, отклоняются под углом по меньшей мере ±45 к направлению однонаправленных ровингов полотна. Тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, можно размещать на полотне 20 в устройстве 26 с помощью нитеводителей, широко применяемых в многоосевых текстильных машинах, т. е. с помощью устройства, которое совершает возвратно-поступательные движения поперек полотна, укладывая на него определенное количество тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, в единицу времени. Укладку можно облегчить, например, с помощью манипулятора с сервоприводом, оснащенного устройством подачи тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения.
[0086] Другим возможным средством укладки тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, является вращающееся колесо, которое вращается в устройстве 26 под по существу прямым углом к полотну вокруг него, наматывая тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, на полотно. При использовании такого вращающегося колеса тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, помещаются одновременно на верхнюю и на нижнюю поверхность полотна. Преимуществом является то, что тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, укладываются на полотно по прямым параллельным линиям, т. е. тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, проходят прямолинейно и единообразно от одного края полотна до другого его края, иными словами, тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, например, не образуют петель, обнаруживаемых обычно в материалах с переплетением. Прямая, т. е. линейная и плоская укладка тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, вдоль или поперек однонаправленных армирующих ровингов в основном обеспечивает распределение смолы от одного края армирующего наполнителя до другого в кратчайшее время. Независимо от фактического расположения тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, их размещают с одинаковыми промежутками, т. е. расстояние между ними по горизонтали с одной или с обеих сторон армирующего наполнителя составляет приблизительно от 2 до 50 мм, предпочтительно от 5 до 25 мм, более предпочтительно приблизительно 10-20 мм. Точное расстояние следует подбирать в соответствии с вязкостью смолы и поверхностной плотностью полотна.
[0087] Однако следует учесть, что описанное выше относится к простейшему способу производства армирующего наполнителя. Принципиально аналогичный способ применим для производства армирующих наполнителей, состоящих из нескольких однонаправленных слоев. В этом случае тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, могут быть уложены на верхнюю (-ие) и/или нижнюю (-ие) поверхность (-и) армирующего наполнителя или между его слоями. Можно также производить скрепленные связующим веществом армирующие наполнители с многоосевой ориентацией, в том числе однонаправленные, биаксиальные, триаксиальные и квадраксиальные армирующие наполнители, с тонкими обособленными элементами, формирующими каналы распределения, проходящими поперек фактической ориентации армирующих волокон. При производстве многоосевого армирующего наполнителя тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, могут изначально находиться в структуре армирующего наполнителя или могут вставляться между его слоями в процессе производства.
[0088] В другом однонаправленном армирующем наполнителе тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, размещаются между любыми двумя слоями ровингов однонаправленного армирующего наполнителя, т. е. не только по меньшей мере на верхней и/или нижней поверхности армирующего наполнителя, но и между слоями ровингов. Иными словами, если армирующий наполнитель содержит четыре слоя ровингов, тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, можно уложить в каждом промежутке между слоями или между вторым и третьим слоем, т. е. в центре армирующего наполнителя. Практически это означает, что укладка однонаправленных ровингов для формирования полотна и укладка тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, должны происходить в таком порядке, что сначала укладывается слой (или слои) однонаправленных ровингов, затем ряд тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, а после этого следующий слой (или слои) однонаправленных ровингов и т. п. Только после требуемой укладки слоев армирующих наполнителей и тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, слои и тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, связывают вместе посредством порошкового и жидкого связующего вещества.
[0089] Затем полотно с тонкими обособленными элементами, формирующими каналы распределения, размещенными на его поверхности (-ях), переносят в устройство 28 активации (например, хорошо известный двухленточный ламинатор), используемое для плавления термопластичного и/или термореактивного связующего вещества. За счет применения других подходящих устройств обеспечивается возможность распыления растворителя на связующее вещество или испарения из него растворителя в качестве примера возможных действий для активации связующего вещества, чтобы связать между собой как ровинги, так и тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, на ровингах для встраивания тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, в каждый армирующий наполнитель. После этого полотно 20 проходит стадию 30 обжатия валками для регулирования толщины армирующего наполнителя. Стадия 30 обжатия выполняется, например, по меньшей мере однократно в зазоре между двумя валками, чтобы путем обжатия полотна улучшить связывание ровингов расплавом связующего вещества и сформировать однонаправленный армирующий наполнитель 34 требуемой толщины. После стадии 30 обжатия однонаправленный армирующий наполнитель 34 сматывают в рулон 32 для отправки потребителю. Иногда перед отправкой армирующий наполнитель обрабатывают на перемотно-резательном станке для получения полотна необходимой ширины.
[0090] Следует учесть, что описанные выше этапы активации связующего вещества, в частности нагрев и укладку тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, можно также выполнять в обратном порядке, т. е. сначала нагрев для плавления связующего вещества, а затем укладку тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения. В этом последнем варианте тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, могут быть изготовлены, например, из такого материала, который не выдерживает температуру плавления связующего вещества на этапе плавления и поэтому укладывается на поверхности (поверхностях) армирующего наполнителя в тот период времени, когда связующее вещество уже остыло по сравнению с температурой нагрева, но еще остается расплавленным или по меньшей мере липким, чтобы скрепить тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения. Следует также учесть, что на практике после этапов нагрева и обжатия часто применяется охлаждение для обеспечения быстрого затвердевания материала матрицы.
[0091] Для связывания тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, с ровингами однонаправленного полотна существует еще несколько способов. В одном из них применяют двухкомпонентные тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, с плавким компонентом, нанесенным на основу, или тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, покрытые тонким слоем связующего вещества. После того как любой из тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, уложен на ровинги или между слоями ровингов, первый вариант состоит в том, что тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, нагревают для расплавления плавкого компонента и связывания их с ровингами, причем основа элементов не плавится и сохраняет свой исходный диаметр. В этом варианте активацию, т. е. нагрев тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, можно выполнять как одновременно с этапом связывания однонаправленных ровингов, так и после него как отдельный этап. Таким образом, в последнем случае тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, укладывают на ровинги после связывания ровингов между собой. Второй вариант состоит в том, что на тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, распыляют растворитель, так что растворяющееся связующее вещество распределяется по ровингам, после чего тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, связывают с ровингами. Если необходимо ускорить такой процесс связывания тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, то для ускоренного выпаривания растворителя армирующий наполнитель можно нагреть.
[0092] Другой способ связывания тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, с ровингами состоит в том, что тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, укладывают на ровинги после связывания ровингов между собой, а затем повторно проводят активацию связующего вещества (например, посредством прокатки горячим валиком), таким образом связывая тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, с ровингами тем же самым связующим веществом, с помощью которого ровинги связаны между собой.
[0093] Еще один способ связывания тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, с ровингами состоит в том, что тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, укладывают на ровинги после связывания ровингов между собой, а до или после укладки на ровинги тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, на ровинги (и, возможно, на тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения) наносят дополнительное связующее вещество и активируют связующее вещество для связывания тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, с ровингами дополнительным связующим веществом.
[0094] Описанные выше различные способы укладки тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, на ровинги и связывания их с ровингами открывают ряд перспективных возможностей при производстве однонаправленных армирующих наполнителей, имеющих тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения.
[0095] Одна из предпочтительных возможностей заключается в том, чтобы для производства связанного однонаправленного армирующего наполнителя и для присоединения к нему тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, использовались отдельные последовательности действий. Иными словами, в первую последовательность действий входит этап укладки непрерывных ровингов однонаправленно, бок о бок в один слой для формирования однонаправленного полотна, этап нанесения на полотно термопластичного и/или термореактивного связующего вещества и этап активации связующего вещества для связывания ровингов с образованием однонаправленного армирующего наполнителя, после чего связанный однонаправленный армирующий наполнитель можно обжать на валках, а ко второй последовательности операций приступить либо сразу же, либо после хранения в течение определенного времени, либо после получения его потребителем.
[0096] Во вторую последовательность действий входит разматывание рулона связанного однонаправленного армирующего наполнителя, укладка тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, на непрерывные однонаправленные ровинги в направлении, поперечном направлению однонаправленных ровингов, связывание тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, с ровингами и, возможно, скручивание связанного однонаправленного армирующего наполнителя с тонкими обособленными элементами, формирующими каналы распределения, для дальнейшего использования. Преимущество такой организации производственного процесса состоит в том, что первая последовательность действий может, в силу своего характера, осуществляться намного быстрее, чем вторая последовательность действий. Следовательно, если разделять эти последовательности действий, можно выполнять обе последовательности с оптимальной для них скоростью без замедления тех, которые входят в первую последовательность действий. Благодаря такому разделению производства на две последовательности действий вторую последовательность действий также можно выполнять на площадке конечного потребителя армирующего наполнителя, например производителя лопастей ветроэнергетических установок. Кроме того, применение тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, может привести к формулированию новых требований к свойствам обжимных валков. Если какие-либо тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, легко сплющиваются вследствие свойств, присущих либо материалу, либо структуре, следует обратить внимание на давление при обжатии, т. е. тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, не должны при обжатии изменять форму поперечного сечения или по меньшей мере не должны настолько изменять ее, чтобы это могло повлиять на распределение смолы. Разумеется, можно отказаться от обжатия валками или использовать валки с мягкой поверхностью, или уменьшать давление при обжатии.
[0097] Структура пакета однонаправленных армирующих наполнителей, имеющих тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения, обеспечивает распределение вводимой смолы на стадии инфузии по каналам 10 распределения в направлении, поперечном направлению армирующих ровингов, ее последующее проникновение между отдельными ровингами или волокнами, высокую скорость распределения смолы и полную пропитку. В процессе инфузии пузырьки воздуха вытесняются движением смолы из камер и пустот в структуре армирующего наполнителя сначала в каналы распределения, а затем за пределы изделия. Как распределение смолы, так и удаление воздуха можно ускорить дополнительным давлением со стороны подачи смолы на первых концах каналов распределения, если верхняя часть литьевой формы обладает жесткостью, как это предусмотрено в процессах RTM или Light RTM (хотя последний редко применяется), и/или обеспечением вакуума с противоположной стороны каналов распределения.
[0098] На Фиг. 1а схематически показано, что тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, которые размещаются между слоями 2 и 4 армирующего наполнителя как для облегчения проницаемости пакета армирующих наполнителей для смолы в поперечном направлении, так и для удаления воздуха, задержавшегося между слоями пакета армирующих наполнителей, формируют каналы 10 распределения по сторонам от себя и между однонаправленными армирующими ровингами. Тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, предпочтительно представляют собой моноволокна, состоящие из полиамида (PA), сополимера полиамида или сополимера сложного полиэфира (co-PET), сечение которых может быть, например, круглым, квадратным, овальным, Х-образным или пустотелым. Тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, могут быть двухкомпонентными или многокомпонентными. Иными словами, благодаря тому, что тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, производят из подходящего полимерного материала, например, посредством экструзии, поперечное сечение таких тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, можно выбирать из множества вариантов для оптимизации процесса распределения смолы. Предпочтительно использовать тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, с таким поперечным сечением, которое обеспечивает максимальное геометрическое сечение для канала 10 распределения или максимально увеличивает расстояние между армирующими ровингами двух наложенных друг на друга слоев при заданном объеме тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, причем с минимальным количеством неармирующего материала (полимера моноволокна).
[0099] Элементы, создающие каналы распределения смолы, как правило, представляют собой отдельные волокна с диаметром в пределах 100-300 мкм, предпочтительно 100-200 мкм, более предпочтительно 130-170 мкм. Однако для формирования каналов распределения можно использовать несколько других вариантов. Элементы, формирующие каналы распределения, могут быть сформированы из пучка нескольких моноволокон, т. е. многоволоконных или других непрерывных элементов, которые могут иметь, например, 3 волокна, соединенных между собой так, чтобы между слоями армирующего наполнителя, которые размещаются один поверх другого, оставался зазор необходимого размера в направлении оси Z. Однако многоволоконная нить и другие непрерывные элементы или их нанесение и структура должны соответствовать одному условию. Многоволоконные и другие непрерывные элементы должны действовать как моноволокно, т. е. они не должны сжиматься так, как обычно сжимается многоволоконная нить, т. е. позволяя отдельным волокнам двигаться в сторону при сжатии, в результате чего поперечное сечение многоволоконной нити становится не круглым, а плоским или лентообразным. Такой вид требования на практике означает, что многоволоконная нить должна иметь связующее вещество с таким условием, что отдельные волокна многоволоконной нити сплавляются вместе или связующее вещество связывает вместе отдельные волокна в соответствии со способом получения при изготовлении однонаправленного полотна таким образом, что на практике структура многоволоконной нити или других непрерывных элементов изменяется на моноволоконную на ровингах и внутри ламината.
[00100] Диаметр таких применяемых тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, или фактически их размер в направлении оси Z находится в пределах 100-300 мкм, предпочтительно 100-200 мкм, более предпочтительно 130-170 мкм. Фактический размер элементов в направлении оси Z зависит от проницаемости используемых армирующих волокон и их диаметра.
2
[00101] Форму и размер тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, а также особенности их размещения на слоях армирующего наполнителя, т. е. расстояние между ними по горизонтали, необходимо тщательно анализировать (в числе прочих факторов), чтобы обеспечить надлежащую пропитку и смачивание смолой пакета армирующего наполнителя. Каналы распределения смолы, сформированные по бокам тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, не должны быть слишком свободными, чтобы смола не просто протекала от точки инжекции к противоположному краю пакета армирующих наполнителей, а имела достаточно времени для пропитки ровингов. Очевидно, что чем меньше расстояние между смежными тонкими обособленными элементами, формирующими каналы распределения, тем большее поперечное сечение могут иметь поперечные каналы распределения, сформированные по бокам тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, и наоборот. Другой фактор, который следует учитывать, - это толщина или поверхностная плотность слоя армирующего наполнителя. Чем толще слой армирующего наполнителя, тем больше времени потребуется для его полной пропитки смолой. Появляется возможность регулировать проницаемость армирующего наполнителя таким образом, чтобы обеспечить полное пропитывание отдельных армирующих волокон, а также предотвратить образование непропитанных зон или пустот между волокнами. Однако независимо от диаметра и формы или других свойств поперечных тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, эти элементы не придают армирующему наполнителю какой-либо существенной поперечной устойчивости. Поперечная устойчивость однонаправленного армирующего наполнителя обеспечивается только за счет правильного выбора термоплавкого и/или термореактивного связующего вещества. Связующее вещество должно соответствовать матрице, т. е. быть совместимым с материалом матрицы и обеспечивать достаточную гибкость связываемого им армирующего наполнителя. Это последнее требование на практике означает, с одной стороны, что затвердевшее связующее вещество должно обладать определенной упругостью и, с другой стороны, что количество связующего вещества должно быть оптимальным для обеспечения как достаточной поперечной устойчивости, так и достаточной гибкости армирующего наполнителя. Эксперименты показали, что, в зависимости от используемой матрицы смолы, предпочтительными материалами для связующего вещества являются ненасыщенные сложные полиэфиры бисфенольного типа, сополимеры сложных полиэфиров и эпоксидные смолы на основе бисфенола-А. Также допустимо применение других порошковых и жидких связующих веществ, обеспечивающих требуемые свойства. Количество сухого связующего вещества, необходимое для связывания ровингов с тонкими обособленными элементами, формирующими каналы распределения, находится в пределах 15-30 г/м в зависимости от требуемых технологических свойств.
[00102] В соответствии с дополнительным вариантом однонаправленного армирующего наполнителя с тонкими поперечными обособленными элементами, формирующими каналы распределения, в идеальном случае полимерный материал тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, не должен препятствовать отверждению или оказывать другое отрицательное влияние на химические, термические или механические свойства образующей матрицу смолы. В проведенных экспериментах использовались тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, изготовленные из полиамида (PA), сложного полиэфира (PET), фенокси, сополимера полиамида или сополимера PET. Однако также допустимо применение других материалов, обеспечивающих требуемые свойства.
[00103] Другое желательное, но не обязательное свойство полимерного материала для изготовления тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, - это его растворимость в смоле, по меньшей мере частично. Однако растворимость в смоле должна быть достаточно слабой или медленной, чтобы тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, не растворились и не исчезли полностью до тех пор, пока армирующий наполнитель не пропитается смолой. Однако преимущество по меньшей мере частично растворимых тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, заключается в том, что сформированные ими каналы при этом заполняются и исчезают, благодаря чему материал становится более гомогенным по сравнению с материалом, в котором используются нерастворимые очень тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения. В качестве примера описанных выше вариантов можно упомянуть двухкомпонентные тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, содержащие моноволокно или связанный пучок из нескольких моноволокон с внешним слоем полимерного материала, отличающегося по своим свойствам, при этом внешний слой растворяется в материале матрицы. Растворимость внешнего слоя предпочтительно подбирают так, чтобы он растворялся в смоле после того, как она пропитает пакет армирующих наполнителей. Преимущество такой структуры тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, заключается в том, что диаметр их основы может составлять 120 мкм, а толщина внешнего слоя - 10 мкм. Таким образом, диаметр двухкомпонентных тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, во время пропитки составляет 140 мкм, а после растворения внешнего слоя - 120 мкм, благодаря чему ровинги в конечном изделии находятся ближе друг к другу. За счет этого дополнительно снижается к минимуму вероятность преждевременного разрушения ламината на границах между тонкими обособленными элементами, формирующими каналы распределения, и ровингами.
[00104] Из предшествующего уровня техники известно, что, например, при использовании поперечных стекловолоконных нитей с покрытием из термоплавкого клея для связывания между собой однонаправленных ровингов армирующего наполнителя поперечные волокна стекловолоконных нитей под действием поперечной нагрузки могут разрушаться, в результате чего образуются микротрещины. Микротрещины могут отрицательно влиять на статическую и динамическую прочность ламината, так как являются причиной возникновения более крупных трещин и видимых разрушений структуры ламината, приводящих к полному разрушению детали. Очевидно, что аналогичная опасность существует и для тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения.
[00105] Следовательно, величина удлинения при разрыве для тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, должна быть по меньшей мере такой же, как у матрицы. Например, удлинение при разрыве для эпоксидной матрицы составляет приблизительно 6%. В этом случае удлинение при разрыве для тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, должно быть больше 6%, предпочтительно приблизительно 10%, более предпочтительно приблизительно 20%. Точное значение зависит главным образом от типа используемой смолы. Кроме того, для сравнения механической прочности матрицы и тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, используют модули упругости. Иными словами, для обеспечения требуемой прочности и надежности в любых условиях применения модуль упругости тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, должен быть ниже, предпочтительно заметно ниже модуля упругости материала матрицы. Так как модуль упругости применяемых в матрице материалов, например эпоксидной смолы, сложного полиэфира или сложной винилэфирной смолы, составляет приблизительно 3 ГПа, модуль упругости тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, должен предпочтительно находится в пределах 2 ГПа или меньше.
[00106] Описанный выше вариант применения связанного связующим веществом однонаправленного армирующего наполнителя в производстве ламинатов полок лонжеронов для лопастей ветроэнергетических установок представляет собой лишь один из множества вариантов применения подобных армирующих наполнителей. Однонаправленный армирующий наполнитель, имеющий тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения, успешнее всего применяется там, где требуется однонаправленный армирующий наполнитель с наилучшими механическими свойствами, особенно усталостной прочностью, но также и стойкостью к статической нагрузке. Однако следует помнить, что скрепленный связующим веществом однонаправленный армирующий наполнитель, имеющий тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения, можно использовать во всех случаях, где применимы материалы на основе армированных волокнами матриц.
2
2
2
2
2
[00107] На Фиг. 3 сравниваются характеристики процесса распределения смолы в сшитом армирующем наполнителе предшествующего уровня техники, в однонаправленном армирующем наполнителе, скрепленном порошковым связующим веществом, и в однонаправленном армирующем наполнителе с тонкими поперечными обособленными элементами, формирующими каналы распределения, с двумя вариантами параметров этих элементов. Для эксперимента были подготовлены четыре разных армирующих наполнителя. При производстве всех армирующих наполнителей были использованы одинаковые однонаправленные ровинги (1200 г/м). Первый контрольный армирующий наполнитель состоял из сшитого армирующего наполнителя с многоволоконными нитями из стекла типа Е (200 текс, 400 волокон по 16 мкм каждое) на однонаправленных ровингах, размещенными с шагом 10 мм под углами+45 и -45 градусов относительно направления однонаправленных ровингов. Второй контрольный армирующий наполнитель состоял из однонаправленного армирующего наполнителя с поверхностной плотностью 1200 г/м, связанного порошковым связующим веществом (10 г/м). В первом армирующем наполнителе использованы тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, состоящие из моноволокон (сополимер PET, сополимер полиэтилентерефталата) диаметром 100 мкм, размещенные под прямым углом к однонаправленным ровингам с поверхностной плотностью 1200 г/м, которые были связаны порошковым связующим веществом (10 г/м). Тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, т. е. моноволокна, были уложены с шагом 20 мм. Во втором армирующем наполнителе использовали тот же однонаправленный материал, что и в первом армирующем наполнителе, но с тем единственным отличием, что диаметр моноволокна составлял уже 130 мкм.
[00108] Из всех четырех армирующих наполнителей для эксперимента были вырезаны листы армирующего наполнителя одинакового размера. В каждом эксперименте пакет из четырех одинаковых листов помещали в литьевую форму для испытания на стеклоткань, а поверх армирующих наполнителей помещали полимерную пленку. Упаковку герметизировали обычным герметиком. Литьевую форму вакуумировали при -0,95 бар, после чего в нее инжектировали эпоксидную смолу в направлении поперек армирующих ровингов с вязкостью 300 мПа при температуре 23°C. Полученные графики отображают зафиксированное изменение дистанции пропитки во времени.
[00109] На Фиг. 3 показано изменение дистанции пропитки смолой во времени. Самая нижняя кривая показывает положение фронта распределения смолы в армирующем наполнителе без каналов распределения, связанном с помощью порошкового связующего вещества. За приблизительно 30 минут смола проникает на глубину 1 см. Положение фронта распределения, т. е. дистанция пропитки, в основном соответствует известному закону Дарси, согласно которому глубина проникновения обратно пропорциональна квадратному корню из времени. Таким образом, существует определенный максимальный предел, к которому значение может бесконечно приближаться, но никогда его не достигнет. Если другие условия, такие как вязкость и температура, остаются постоянными, то положение фронта распространения смолы определяется различием в проницаемости материала. Необходимо заметить, что самая нижняя кривая (соответствующая предшествующему уровню техники) оставалась почти горизонтальной в промежутке 25-35 минут, поэтому можно ожидать, что даже при значительном увеличении времени пропитки дистанция пропитки не увеличится. Две следующие кривые отображают распределение смолы в сшитом армирующем наполнителе предшествующего уровня техники и в связанном с помощью порошкового связующего вещества армирующем наполнителе, в котором в поперечном направлении уложены моноволокна диаметром 100 мкм с шагом 20 мм. За 25 минут в обоих армирующих наполнителях фронт распределения смолы прошел приблизительно 9 см, причем пропитка еще продолжалась, что при увеличении времени пропитки позволяет ожидать дистанции пропитки свыше 10 см. Самая верхняя кривая отображает распределение смолы в армирующем наполнителе, связанном порошковым связующим веществом, в котором в поперечном направлении уложены моноволокна диаметром 130 мкм с шагом 20 мм. За 25 минут фронт распределения смолы в армирующем наполнителе прошел приблизительно 16 см, причем пропитка еще продолжалась, что при увеличении времени пропитки позволяет ожидать дистанции проникновения свыше 20 см.
[00110] По результатам проведенных экспериментов очевидно, что путем увеличения диаметра тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, в данном примере моноволокон можно увеличить скорость и/или дистанцию пропитки. Конечно, в таком случае необходимо обеспечить, чтобы ровинги оставались достаточно прямыми, т. е. чтобы тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, не раздвигали их на слишком большое расстояние, создавая опасность появления микротрещин. На практике верхний предел диаметра тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, находится в диапазоне 170-300 мкм и зависит от поверхностной плотности армирующего наполнителя. Другой очевидный способ увеличения скорости и/или дистанции пропитки - это более частая укладка тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения. Шаг укладки можно уменьшить до 15 или 10 мм и даже до 5 мм. Оптимальный вариант следует подбирать индивидуально для каждого набора условий.
[00111] Описанные выше эксперименты ясно показывают огромное преимущество нового способа формирования поперечных каналов распределения с помощью тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения. Как уже отмечалось выше, это преимущество заключается не только в том, что за счет ускорения инфузии значительно повышается производительность, но также в том, что эффективное удаление газа из пакета армирующих наполнителей способствует получению ламината без пустот, непропитанных или частично пропитанных зон, и в том, что такой ламинат имеет лучшие прочностные и усталостные характеристики по сравнению с ламинатами предшествующего уровня техники, применявшимися для аналогичных целей, и в том, что благодаря плоской и не содержащей изгибов структуре ламината снижается вероятность появления зон с низкой прочностью на сжатие.
2
2
2
[00112] Было также выполнено сравнение однонаправленного армирующего наполнителя с тонкими поперечными обособленными элементами, формирующими каналы распределения, согласно настоящему изобретению с армирующим наполнителем предшествующего уровня техники по модулю упругости на растяжение и пределу прочности на растяжение как вдоль ровингов (под углом 0 градусов), так и поперек ровингов (под углом 90 градусов) в соответствии со стандартами ISO 527-4 и 527-5. Испытывали сшитый однонаправленный армирующий наполнитель предшествующего уровня техники с поверхностной плотностью 1200 г/м и однонаправленный армирующий наполнитель с тонкими поперечными обособленными элементами, формирующими каналы распределения, с поверхностной плотностью 1171 г/м, с порошковым связующим веществом и поперечными моноволокнами. В обоих армирующих наполнителях матрица ламината состояла из эпоксидной смолы. В таблице ниже приведены результаты сравнения, из которых следует, что предел прочности на растяжение увеличился почти на 20% в продольном направлении и более чем на 10% в поперечном направлении. Модуль упругости на растяжение увеличился почти на 15% в продольном направлении и снизился на 6% в поперечном направлении. Модуль упругости на растяжение в поперечном направлении оказался немного ниже из-за того, что в армирующем наполнителе предшествующего уровня техники имеются поперечные стекловолокна плотностью 100 г/м.
Модуль упругости на растяжение (ГПа) 0 градусов (ISO 527-5)
Модуль упругости на растяжение (ГПа) 90 градусов (ISO 527-4)
Предел прочности на растяжение (МПа) 0 градусов (ISO 527-5)
Предел прочности на растяжение (МПа) 90 градусов (ISO 527-4)
Предшеств. ур-нь техники
38,7
11,9
890
35
Однонаправл. армирующий наполнитель
45,1
11,2
1110
39
Разница,%
14,2
-6,3
19,8
10,3
[00113] Однако, как уже указывалось ранее в данном техническом описании, крепление на однонаправленном армирующем наполнителе тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, может быть недостаточным, т. е. недостаточно надежным во всем возможном диапазоне применений армирующего наполнителя.
[00114] Для обеспечения крепления на однонаправленном армирующем наполнителе тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, армирующий наполнитель имеет дополнительные нити, проходящие поперек тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, на однонаправленном армирующем наполнителе таким образом, что нити укладывают на однонаправленном армирующем наполнителе и закрепляют на нем после тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения. Иными словами, дополнительные нити расположены на тонких обособленных элементах, формирующих каналы распределения, или тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, остаются между дополнительными нитями и однонаправленными ровингами. Кроме того, подобно тонким обособленным элементам, формирующим каналы распределения, дополнительные нити могут быть размещены на по меньшей мере одной поверхности армирующего наполнителя, причем нити, естественно, размещают на той же поверхности армирующего наполнителя, что и тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения. Таким образом, дополнительная нить проходит по одной такой поверхности армирующего наполнителя, которая имеет уложенные на ней тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, т. е. дополнительная нить не проникает в армирующий наполнитель, а непрерывно остается на его поверхности.
[00115] На Фиг. 4 показан способ получения однонаправленного армирующего наполнителя в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Поскольку получение однонаправленного армирующего наполнителя в большей степени аналогично получению, приведенному на Фиг. 2, ниже приведено описание только различий за счет поперечного размещения нитей на тонких обособленных элементах, формирующих каналы распределения. Иными словами, в данном варианте осуществления настоящего изобретения между укладкой тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, на однонаправленных ровингах с обеих сторон полотна 26 и активацией связующего вещества 28 нити 42 и 46 разматывают из бобин, размещенных в бобинодержателях с обеих сторон полотна, и направляют над тонкими обособленными элементами, формирующими каналы распределения, и однонаправленными ровингами, формирующими полотно 20, причем нити имеют такую же скорость, что и вся линия в целом. В данном варианте осуществления настоящего изобретения нити 42 и 46 подают из бобинодержателя или бобинодержателей нити, размещенных вблизи области подачи активации 28 связующего вещества таким образом, что нить 42 остается на верхней поверхности однонаправленного армирующего наполнителя, а нить 46 - на нижней поверхности однонаправленного армирующего наполнителя. Нити подают через два отдельных гребня 44 и 48, один (44) для верхней поверхности полотна 20, а второй (48) для нижней поверхности полотна 20 для контроля расстояния между смежными нитями по горизонтали. Промежуток или расстояние между смежными нитями 42/46 на обеих поверхностях полотна предпочтительно составляет 5-50 мм, более предпочтительно 10-35 мм. Направление нитей предпочтительно представляет собой направление однонаправленных ровингов полотна 20, хотя, конечно, существует возможность размещения нитей под углом к направлению однонаправленных ровингов. Поскольку единственной задачей нитей 42 и 46 является обеспечение положения на полотне тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, существует возможность достаточно свободного выбора направления нитей, пока их направление является поперечным к тонким обособленным элементам, формирующим каналы распределения.
[00116] По мере того как полотно 20 окончательно подают на активацию 28 связующего вещества (например, в двухленточный ламинатор), дополнительные нити 42, 46 фиксируются, т. е. адгезионно связываются с продольными ровингами с помощью термопластичного связующего вещества, которое плавится под воздействием тепла при активации связующего вещества (например, в машине ламинатора между верхней и нижней лентой). Таким образом, тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, слегка закрепляются на всей поверхности армирующего наполнителя, но также зажимаются между ровингами, состоящими из самих армирующих волокон и дополнительных нитей, которые действуют фактически также, как армирующие волокна.
[00117] В соответствии с необязательным вариантом осуществления настоящего изобретения дополнительные нити удерживают на месте за счет термопластичного или термореактивного порошкового связующего вещества, нанесенного в устройстве 24 на ровинги полотна, причем главным назначением такого связующего вещества является связывание ровингов между собой. Другим необязательным вариантом осуществления настоящего изобретения является использование как порошкового связующего вещества, нанесенного в устройстве 24, так и двухкомпонентного свойства тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, т. е. внешний слой тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, является плавким. И в соответствии с еще одним необязательным вариантом осуществления настоящего изобретения адгезию нитей 42, 46 к полотну 20 можно дополнительно улучшить за счет применения дополнительного связующего вещества, имеющегося на самих нитях. Предпочтительно связующее вещество представляет собой то же связующее вещество, которое распределяется в устройстве 24 и используется для связывания ровингов между собой для формирования армирующего наполнителя 34. Иными словами, дополнительные нити могут быть направлены через камеру нанесения порошка для покрытия их дополнительным связующим веществом для увеличения их адгезивных свойств и обеспечения хорошей адгезии к тонким обособленным элементам, формирующим каналы распределения, и к однонаправленным ровингам. Однако также можно наносить другие связующие вещества в жидкой или порошкообразной форме при условии, что они в достаточной степени совместимы с порошковым связующим веществом, наносимым в устройстве 24, и смолой матрицы, наносимой на стадии инфузии.
[00118] Однако на данной стадии следует понимать, что в данном случае также применимы все вышеуказанные варианты и видоизменения, относящиеся к Фиг. 2, касающиеся крепления тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения. Иными словами, все вышеописанные варианты крепления также можно использовать для крепления дополнительных нитей к однонаправленным ровингам.
[00119] Кроме того, необходимо понимать, что связывание однонаправленных ровингов между собой, тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, на однонаправленных ровингах и дополнительных нитей на тонких обособленных элементах, формирующих каналы распределения, и на однонаправленных ровингах может производиться на том же этапе активации связующего вещества в два отдельных этапа (либо однонаправленные ровинги и формирующие элементы в один этап, либо формирующие элементы и дополнительные нити в один этап) или в три отдельных этапа в зависимости от применения.
[00120] Дополнительные нити предпочтительно, но не обязательно выполняют из непрерывного или прерывистого стекловолокна или полиамидных, сложнополиэфирных, арамидных или углеродных волокон, натуральных волокон или модифицированных (регенерированных) натуральных волокон, металлических волокон или любой комбинации вышеуказанных волокон. Более того, дополнительные нити могут быть выполнены из волокон такого же материала, что и ровинги однонаправленного армирующего наполнителя. Дополнительные нити также могут быть моноволоконными нитями или, опять же в более общем случае, любыми непрерывными или прерывистыми волокнами, нитями с моно- или многоволоконной текстурой и нитями без текстуры, которые можно использовать при условии, что они не нарушают или не уменьшают распределение смолы вдоль тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, размещенных с возможностью облегчения распределения смолы поперек армирующего наполнителя.
2
[00121] При применении стекловолоконных нитей в качестве дополнительных нитей принципиально в данной функции может использоваться любая стекловолоконная нить или ровинг (предпочтительно, но не обязательно начиная от нитей 22 текс вплоть до нитей 272 текс). Однако проведенные испытания показали, что нить выбранного размера общего типа EC9 68 Z40 (стекло E, непрерывная, диаметр волокна 9 мкм, 68 текс, 40 витков на метр в направлении оси Z) оптимально подходит для однонаправленного армирующего наполнителя с поверхностной плотностью 1200 г/м. Она имеет хорошую устойчивость к трению в различных направляющих для нитей, при этом является достаточно тонкой, чтобы не нарушать плавность поверхности и поддерживать общую стоимость на минимальном уровне. Для других значений поверхностной плотности оптимальными могут быть другие типы. Другим предпочтительным, хотя и необязательным свойством настоящего изобретения является то, что жесткость при изгибе нитей такая же, как и у ровингов однонаправленного армирующего наполнителя, благодаря чему форма и размер канала распределения по бокам тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, является оптимальной. Дополнительные стеклянные нити предпочтительно, хотя и необязательно подают на все поверхности, которые имеют тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения.
[00122] Новый способ превосходит по прочности на истирание способ приклеивания тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, на однонаправленном армирующем наполнителе предшествующего уровня техники. Кроме того, способ является простым и экономичным.
[00123] На Фиг. 5 схематически представлено изображение однонаправленного армирующего наполнителя 30 в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Однонаправленный армирующий наполнитель формируют из однонаправленных продольных ровингов, которые связаны термопластичным или термореактивным связующим веществом для формирования полотна 20. По меньшей мере на одной, предпочтительно на обеих, т. е. на верхней и на нижней поверхностях полотна 20 укладывают тонкие обособленные элементы 40, формирующие каналы распределения, которые проходят поперек однонаправленных ровингов и формируют каналы распределения смолы на своих сторонах. В соответствии с настоящим изобретением продольные нити 42 и 46 укладывают на тонких обособленных элементах 40, формирующих каналы распределения, по меньшей мере на одной, предпочтительно на обеих, верхней и нижней поверхностях полотна 20 таким образом, что формирующие элементы 40 оказываются между нитями 42, 46 и ровингами.
[00124] До сих пор в настоящем описании рассматривалось поперечное удаление воздуха и распределение смолы, в частности способ и средства обеспечения быстрого и надежного удаления воздуха и распределения смолы в направлении, поперечном однонаправленным ровингам, т. е. в плоскости полотна. Однако как удаление воздуха, так и распределение смолы в направлении оси Z, т. е. в направлении под прямым углом к плоскости полотна или армирующего наполнителя, почти так же важны, как и в поперечном направлении.
[00125] В представленном ниже описании и относящихся к нему Фиг. 6-12 приведен способ улучшения удаления воздуха и распределения смолы в направлении оси Z армирующего наполнителя за счет использования обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z. Фактически обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z помогают в распределении смолы не только в направлении оси Z, но и в поперечном направлении, так как обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z проходят в поперечном направлении назад и вперед между продольными краями полотна, проходят между верхней и нижней поверхностями полотна или армирующего наполнителя и формируют каналы распределения смолы по своим сторонам. Обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z в контексте настоящего описания являются непрерывными, т. е. слово «непрерывные» при использовании применительно к поперечными элементами для создания каналов распределения смолы как в поперечном направлении, так и в направлении оси Z следует понимать в широком смысле. Слово «непрерывные» охватывает также элементы для создания каналов распределения, тянущиеся, наиболее предпочтительно, на всю ширину полотна, или даже более короткие элементы для создания каналов распределения при условии, что они размещены так, что сами каналы распределения тянутся непрерывным образом от одного продольного края полотна к противоположному краю данного полотна. На данной стадии уже должно быть понятно, что варианты осуществления, описанные на Фиг. 6-12, в основном описывают первую часть производства армирующего наполнителя, т. е. производство полотна 120. Полученное таким образом полотно далее обрабатывают в соответствии со способом получения путем возможного добавления на полотно поперечных тонких обособленных элементов, формирующих каналы распределения, и дополнительных нитей на поперечные тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, и на однонаправленные ровинги, формирующие полотно, перед одним или более этапами активации связующего вещества. Таким образом, все варианты, касающиеся дальнейших стадий производства описанного выше армирующего наполнителя применительно к Фиг. 1-5, могут применяться, где это возможно или желательно, в вариантах осуществления, приведенных на Фиг. 6-12. Кроме того, информацию относительно типа связующего вещества, количества или нанесения можно использовать из представленного выше описания для вариантов осуществления, показанных на Фиг. 6-12.
[00126] На Фиг. 6 схематически показан частичный вид сбоку способа получения однонаправленного армирующего наполнителя в соответствии со вторым и третьим предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения. В данном случае полотно 120 выполняют из двух листов, т. е. нижнего листа 122' и верхнего листа 122ʺ однонаправленных ровингов. Однонаправленные ровинги для двух листов берут из нескольких упаковок ровингов. Листы удерживают отдельно друг от друга в вертикальном направлении, т. е. между листами остается вертикальный зазор.
[00127] В соответствии с одним необязательным вариантом осуществления сформированные таким образом листы подают через блок 124 введения порошкового связующего вещества или подобное устройство для распыления порошка на устройство, такое как гребень 126, которое контролирует плотность нити, т. е. то, насколько близко друг к другу расположены ровинги, образующие листы 122' и 122''. Помимо порошка связывание ровингов (и обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z) может обеспечиваться за счет нанесения подходящего (жидкого или твердого) связующего вещества путем распыления адгезионного вещества из форсунок или использования адгезионной пленки, сетки, полотна или ткани из рулона. После того как листы 122' и 122ʺ или формирующие эти листы ровинги организованы гребнем 126, в зазор между листами 122' и 122ʺ вводят обособленные элементы 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z. Обособленные элементы 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z размещают таким образом, чтобы они проходили в направлении, поперечном направлению однонаправленных ровингов, за счет подающих элементов 130. Такими подающими элементами могут быть, например, пневматические элементы или стержень, двигающийся в поперечном направлении к листам. Два листа 122' и 122ʺ сохраняют свое взаимное расположение, т. е. лист 122' является нижним листом, а лист 122ʺ является верхним листом, и введение обособленных элементов 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z в постоянно открытый вертикальный зазор между листами 122' и 122ʺ происходит непрерывным образом. Это является четким отличием от технологии ткацкого переплетения, при которой листы изменяют свое положение за счет использования ремизного набора, а введение поперечной нити происходит с чередованием сверху и снизу отдельного листа в зависимости от того, является ли в данный момент отдельный лист нижним или верхним листом.
[00128] В другом необязательном варианте осуществления обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z вводят в зазор между листами после того, как листы или даже образующие листы ровинги будут организованы гребнем, который контролирует плотность нити, т. е. то, насколько близко ровинги листов располагаются друг от друга. Обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z размещают таким образом, чтобы они проходили в направлении, поперечном направлению однонаправленных ровингов, за счет стержня. Два листа сохраняют свое взаимное расположение, т. е. один лист является нижним листом, а другой лист 122 является верхним листом, а введение обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z в постоянно открытый вертикальный зазор между листами происходит непрерывным образом. Это является четким отличием от технологии ткацкого переплетения, при которой листы изменяют свое положение за счет использования ремизного набора, а введение поперечной нити происходит с чередованием сверху и снизу отдельного листа в зависимости от того, является ли в данный момент отдельный лист нижним или верхним листом.
[00129] После этого сформированные таким образом листы и обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z подают через блок 124 введения порошкового связующего вещества или подобное устройство распыления порошка или нанесения связующего агента. Помимо порошка связывание ровингов (и обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z) может обеспечиваться за счет нанесения подходящего (жидкого или твердого) термопластичного и/или термореактивного связующего вещества путем распыления связующего вещества из форсунок или использования связующей пленки, сетки, ткани или полотна из рулона.
[00130] Далее, независимо от того, какой из вышеуказанных вариантов используется, сборку «лист - обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z - лист» подают в зазор между двумя валками 132 и 134, которые сжимают два листа в одно полотно 120, как будет описано ниже в данном документе. После подготовки полотна 120, содержащего обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z, существует несколько необязательных способов продолжения, как это описано в трех представленных ниже параграфах.
[00131] В первом варианте существует возможность подачи полотна напрямую (без введения тонких поперечных обособленных элементов, формирующих каналы распределения, приведенных на Фиг. 5) на устройство 28 активации (например, на хорошо известный двухленточный ламинатор), показанное на Фиг. 4 и используемое для плавления термопластичного и/или термореактивного связующего вещества. За счет применения других подходящих устройств обеспечивается возможность распыления растворителя на связующее вещество или испарения из него растворителя в качестве примера возможных действий для активации связующего вещества, чтобы связать между собой ровинги и обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z. После этого полотно 120 проходит стадию 30 обжатия валками, что также показано на Фиг. 4, для регулирования толщины армирующего наполнителя. Стадия обжатия выполняется, например, по меньшей мере однократно между двумя валками, чтобы путем обжатия полотна улучшить связывание ровингов расплавом связующего вещества и сформировать однонаправленный армирующий наполнитель требуемой толщины. После обжатия однонаправленный армирующий наполнитель сматывают в рулон для отправки потребителю. Иногда перед отправкой армирующий наполнитель обрабатывают на перемотно-резательном станке для получения полотна необходимой ширины.
[00132] В другом варианте, показанном на Фиг. 6, полотно 120 дополнительно подают на устройство 26, где вводят тонкие поперечные обособленные элементы 40, формирующие каналы распределения, по меньшей мере на одну поверхность (верхнюю или нижнюю), предпочтительно на обе поверхности полотна 120, как показано на Фиг. 10d. После этого полотно подают на устройство 28 активации (например, на хорошо известный двухленточный ламинатор), используемое для плавления термопластичного и/или термореактивного связующего вещества, как показано на Фиг. 4. За счет применения других подходящих устройств обеспечивается возможность распыления растворителя на связующее вещество или испарения из него растворителя в качестве примера возможных действий для активации связующего вещества, чтобы связать между собой ровинги, обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z и тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения. После этого полотно 120 проходит стадию 30 обжатия валками, что также показано на Фиг. 4, для регулирования толщины армирующего наполнителя. Стадия обжатия выполняется, например, по меньшей мере однократно между двумя валками, чтобы путем обжатия полотна улучшить связывание ровингов расплавом связующего вещества, сформировать однонаправленный армирующий наполнитель требуемой толщины и обеспечить хорошую адгезию между различными компонентами. После обжатия однонаправленный армирующий наполнитель сматывают в рулон для отправки потребителю. Иногда перед отправкой армирующий наполнитель обрабатывают на перемотно-резательном станке для получения полотна необходимой ширины.
[00133] В третьем варианте полотно подают на устройство 26, где вводят тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения, на по меньшей мере одну поверхность (верхнюю или нижнюю), предпочтительно на обе поверхности полотна, и на элементы, которые вводят дополнительные нити 42 поверх тонких поперечных обособленных элементов 40, формирующих каналы распределения, как показано на Фиг. 10d. После этого полотно подают на устройство 28 активации (например, на хорошо известный двухленточный ламинатор), используемое для плавления термопластичного и/или термореактивного связующего вещества, как показано на Фиг. 4. За счет применения других подходящих устройств обеспечивается возможность распыления растворителя на связующее вещество или испарения из него растворителя, или разматывания полотна связующего вещества, ткани или полотна из рулона в качестве примера возможных действий для активации связующего вещества, чтобы связать между собой ровинги, обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z, тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения, и дополнительные нити. После этого полотно 120 проходит стадию 30 обжатия валками, что также показано на Фиг. 4, для регулирования толщины армирующего наполнителя. Стадия обжатия выполняется, например, по меньшей мере однократно между двумя валками, чтобы путем обжатия полотна улучшить связывание ровингов расплавом связующего вещества и сформировать однонаправленный армирующий наполнитель требуемой толщины. После обжатия однонаправленный армирующий наполнитель сматывают в рулон для отправки потребителю. Иногда перед отправкой армирующий наполнитель обрабатывают на перемотно-резательном станке для получения полотна необходимой ширины.
[00134] На Фиг. 7 схематически показан частичный вид сверху способа получения однонаправленного армирующего наполнителя в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. В данном случае показана укладка обособленного элемента 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z на нижнем листе 122' (верхний лист срезан). Обособленный элемент 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z подают с помощью подающих элементов, в данном случае стержня 130, который двигается назад и вперед в направлении, поперечном направлению А движения листа 122'. Стержень 130 данного варианта исполнения подает обособленный элемент 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z на всю ширину полотна 120.
[00135] На немного увеличенных видах на Фиг. 8a и Фиг. 8b более подробно показан способ введения обособленного элемента для облегчения распределения смолы в направлении оси Z между листами и прохождения поперек листов. Когда подающее отверстие обособленного элемента для облегчения распределения смолы в направлении оси Z в концевой области стержня 130 проходит один из краев листа 122', штифт 136, расположенный в концевой области снаружи листа 122', автоматически возвышается или поднимается в рабочее положение над уровнем листа 122' за счет гидравлического, пневматического, электрического или простого механического изменения положения (например, действия кулачкового или рычажного устройства) сразу после обособленного элемента 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z по отношению к направлению А движения (слева направо) листа 122' таким образом, что обособленный элемент 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z вынужден проходить вокруг штифта 136, который удерживает обособленный элемент 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z на месте в направлении валков 132/134 (Фиг. 6), после чего штифт 136 втягивается в нижнее нерабочее положение. Иными словами, штифт перемещается с листами вверх к валкам 132/134. За счет регулирования поперечной скорости стержня по отношению к скорости листов в продольном направлении А обработки контролируют плотность обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z между листами. За счет вышеуказанного регулирования подачи обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z изменяют расстояние между соседними обособленными элементами для облегчения распределения смолы в направлении оси Z от по существу нулевого до максимального расстояния при движении от одного продольного края полотна к другому. Если считается, что максимальное расстояние является слишком большим, естественно, существует возможность увеличения скорости стержня (и подгона под нее частоты подъема штифта). Это решает проблему, относящуюся к максимальному расстоянию, но расстояние на противоположном крае по существу равно нулю, т. е. является чрезмерно малой величиной. Существует возможность решения данной проблемы за счет изменения положения подающих элементов, например стержня, чтобы осуществлять забор обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z дальше снаружи края листа и разместить другой штифт, который поднимается через некоторое время после первого штифта, причем обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z вынуждены проходить вокруг обоих штифтов, при этом обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z располагаются на листе трапециевидным рисунком вместо более или менее треугольного рисунка, показанного на Фиг. 7. Теперь за счет регулирования поперечной скорости стержня (и частоты подъема штифтов) обеспечивается возможность регулирования формы рисунка по желанию, т. е. от треугольного рисунка до практически прямоугольного рисунка.
[00136] На Фиг. 9 схематически показан частичный вид сверху способа получения однонаправленного армирующего наполнителя в соответствии с третьим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. В данном случае показана укладка обособленных элементов 138 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z на нижнем листе 122' (верхний лист срезан). Обособленные элементы 138 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z подают с помощью стержня 134, который двигается назад и вперед в направлении, поперечном направлению А движения листа 122'. Стержень 134 данного варианта подает обособленные элементы 138 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z на частичную ширину полотна 120. Например, в данном случае пять обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z подают одновременно на нижний лист 122', причем каждый из обособленных элементов 138 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z покрывает одну пятую часть ширины полотна 120. На Фиг. 9 два обособленных элемента для облегчения распределения смолы в направлении оси Z показаны толстыми линиями, а три - тонкими линиями для облегчения понимания разницы между пятью разными обособленными элементами для облегчения распределения смолы в направлении оси Z. В этом случае преимущественным является размещение обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z таким образом, чтобы они слегка перекрывались, что обеспечивает непрерывный канал распределения смолы от одного края полотна к его противоположному краю. По сути показанный на Фиг. 9 рисунок обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z требует, чтобы «толстые» обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z подавались собственным подающим элементом (стержнем), а «тонкие» обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z - другим собственным стержнем, причем для создания показанного рисунка стержни должны двигаться в противоположных направлениях.
[00137] На Фиг. 10a-10d более подробно, но все еще схематически, с помощью видов с торца представлены четыре различные стадии способа получения однонаправленного армирующего наполнителя в соответствии со вторым или третьим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.
[00138] На Фиг. 10a схематически представлены два листа 122' и 122ʺ после того, как ровинги организуют в листы гребнем и введенными между ними обособленными элементами 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z. Следует отметить, что после гребня ровинги располагают на расстоянии друг от друга в боковом или горизонтальном направлении, иными словами, между смежными ровингами оставляют пустые промежутки. Этого достигают путем размещения ровингов таким образом, чтобы ровинги верхнего листа проходили через каждое второе верхнее отверстие гребня, причем остальные верхние отверстия остаются пустыми, а ровинги нижнего листа проходили через каждое второе нижнее отверстие гребня, причем остальные нижние отверстия остаются пустыми. Однако подразумевается, что ровинги верхних и нижних отверстий не располагаются один над другим. Иными словами, группы ровингов верхнего листа находятся над пустыми промежутками нижнего листа, а пустые промежутки верхнего листа находятся над группами ровингов нижнего листа. На Фиг. 10b схематически представлены листы и обособленный элемент для облегчения распределения смолы в направлении оси Z, находящийся ближе к валкам 132/134 (показаны на Фиг. 6), где ровинги верхнего листа 122ʺ начали располагаться между ровингами нижнего листа 122', а обособленный элемент 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z начал перемещаться между ровингами двух листов, т. е. между верхней и нижней поверхностями полотна.
[00139] На Фиг. 10c схематически представлено полотно 120 после валков 132/134 (показаны на Фиг. 6), причем два листа объединены в полотно, а обособленный элемент 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z проходит между ровингами полотна, перемещаясь назад и вперед между верхней и нижней поверхностями полотна 120.
[00140] На Фиг. 10d в соответствии с вышеуказанным третьим вариантом схематически представлено полотно 120 и обособленный элемент 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z с тонкими поперечными обособленными элементами 40, формирующими каналы распределения, введенными на по меньшей мере одну поверхность (нижнюю или верхнюю), предпочтительно на обе поверхности полотна 120, и дополнительные нити 42, размещенные сверху тонких поперечных обособленных элементов 40, формирующих каналы распределения, иными словами, после устройства 26 и гребней 44/48 для введения дополнительной нити 42/46 на Фиг. 4. После этого полотно 120 подают на устройство 28 активации (например, на хорошо известный двухленточный ламинатор), используемое для плавления термопластичного и/или термореактивного связующего вещества, как это представлено на Фиг. 4. За счет применения других подходящих устройств обеспечивается возможность распыления растворителя на связующее вещество или испарения из него растворителя в качестве примера возможных действий для активации связующего вещества, чтобы связать между собой ровинги, обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z, тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения, и дополнительные нити. После этого полотно 120 проходит стадию 30 обжатия валками, что также показано на Фиг. 4, для регулирования толщины армирующего наполнителя. Стадия обжатия выполняется, например, по меньшей мере однократно между двумя валками, чтобы путем обжатия полотна улучшить связывание ровингов расплавом связующего вещества и сформировать однонаправленный армирующий наполнитель требуемой толщины. После обжатия однонаправленный армирующий наполнитель сматывают в рулон для отправки потребителю. Иногда перед отправкой армирующий наполнитель обрабатывают на перемотно-резательном станке для получения полотна необходимой ширины.
[00141] На Фиг. 11a-11f с помощью вида с торца (и путем сравнения с Фиг. 10a) представлены различные возможные конфигурации для прохождения обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z и для группировки ровингов за счет сначала гребня, затем обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z. Основной принцип расположения ровингов описан применительно к Фиг. 10a. Аналогичный базовый принцип может применяться в других необязательных конфигурациях ровингов, включая, без ограничений, те, которые приведены на Фиг. 11a-11f. На Фиг. 11a представлено, что верхний лист может содержать отдельные ровинги, размещенные на расстоянии друг от друга, т. е. с пустыми промежутками между ними, причем нижний лист содержит группы ровингов (в данном случае два ровинга), размещенных на расстоянии друг от друга, т. е. с пустыми промежутками между ними. Группы ровингов верхнего листа находятся над пустыми промежутками нижнего листа, а пустые промежутки верхнего листа находятся над группами ровингов нижнего листа. На Фиг. 11b представлено, что оба листа могут включать в себя группы нескольких (здесь двух) ровингов, размещенных на расстоянии друг от друга. На Фиг. 11c представлено, что группировка ровингов в одном или обоих листах может изменяться вдоль ширины армирующего наполнителя. На Фиг. 11d представлено, что группы ровингов могут располагаться не только бок о бок, т. е. в горизонтальной ориентации, но также и один над другим, т. е. в вертикальной ориентации. И кроме того, что также представлено на Фиг. 11d, каждая группа ровингов может содержать более одного ровинга в боковом/горизонтальном направлении. И, наконец, на Фиг. 11e представлено, что полотно или армирующий наполнитель могут быт получены из более чем двух листов, причем все вышеуказанные варианты для отдельных листов также доступны и для листов данного альтернативного варианта осуществления. Таким образом, как показано на Фиг. 6, получаемое в результате конфигурации, представленной на Фиг. 11e полотно изготавливают так, что три листа выходят из своих упаковок, например, через блок введения порошкового связующего вещества, на гребень, который организует образующие листы ровинги желаемым образом. После гребня каждую полость между листами снабжают подающими элементами для введения обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z в полости способом, который более подробно представлен применительно к Фиг. 6, 7 и 8. На Фиг. 11f представлен альтернативный вариант осуществления, где три листа и два набора обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z используют аналогично способу, представленному на Фиг. 11e. Однако в данном альтернативном варианте осуществления плотность ровингов в листах удвоена таким образом, что если сборка «лист - обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z - лист» входит в валики и сжимается, получаемое в результате этого полотно является в определенной степени двухслойным. Иными словами, каждый пустой промежуток в нижнем листе заполняется подающимся сверху ровингом. Следовательно, в данном альтернативном варианте осуществления обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z перемещаются не между верхней и нижней поверхностями полотна, а между одной поверхностью и горизонтальной центральной линией полотна. Однако можно обратить внимание на то, что обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z перемещаются между поверхностью полотна по мере того, как один обособленный элемент для облегчения распределения смолы в направлении оси Z выступает от одной поверхности к центральной линии, а другой элемент - от центральной линии к другой поверхности. Аналогичные подходы могут использоваться в случаях, когда имеется более трех листов, составляющих полотно и армирующий наполнитель.
[00142] На Фиг. 12 представлена часть однонаправленного армирующего наполнителя в соответствии со вторым или третьим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Армирующий наполнитель полотна 120 сформирован из однонаправленных ровингов 102 и обособленных элементов 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z, проходящих заданным образом между ровингами 102. На более крупном чертеже показано, как обособленные элементы 128 для облегчения распределения смолы в направлении оси Z вызывают формирование открытых полостей 100 по своим сторонам. Полости 100 могут называться путями распределения смолы в направлении оси Z, за счет которых в момент, когда слоистое армированное изделие практически изготовлено, происходит эффективное удаление воздуха из пространства между слоями армирующего наполнителя, а пакет армирующих наполнителей быстро пропитывается смолой при использовании одного из литьевого прессования полимера (RTM) и вакуумной инфузии.
[00143] Показанное на Фиг. 12 полотно можно использовать подобным образом, т. е. оно может быть обработано напрямую устройством активации и на стадии обжатия для формирования армирующего наполнителя, или тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения, могут быть уложены на по меньшей мере одной из верхней поверхности и нижней поверхности полотна до обработки устройством активации и до стадии обжатия для формирования армирующего наполнителя, или нити, проходящие поперек тонких поперечных обособленных элементов, формирующих каналы распределения, могут быть нанесены на тонкие поперечные обособленные элементы, формирующие каналы распределения, до обработки устройством активации и до стадии обжатия для формирования армирующего наполнителя.
[00144] Иными словами, принимая во внимание описанное выше, следует понимать, что приведенный выше способ размещения каналов распределения в направлении оси Z в армирующем наполнителе можно использовать либо отдельно, т. е. только в сочетании с двумя листами ровингов для формирования полотна армирующего наполнителя, как показано на Фиг. 10c, либо вместе с тонкими поперечными обособленными элементами 40, формирующими каналы распределения, как показано на Фиг. 10d (но без дополнительных нитей 42), либо вместе как с тонкими поперечными обособленными элементами 40, формирующими каналы распределения, так и с дополнительными нитями 42.
[00145] Обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z предпочтительно формируют из того же материала, что и тонкие поперечные обособленные элементы, формирующих каналы распределения, т. е. из моноволокон полиамида (PA), сополимера полиамида или сополимера сложного полиэфира (co-PET), или они могут представлять собой двухкомпонентные волокна, акриловые волокна или полиолефиновые волокна. Обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z могут иметь, например, круглое, квадратное или овальное поперечное сечение или Х-образное или пустотелое поперечное сечение. Кроме того, обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z также могут быть двухкомпонентными или многокомпонентными. Иными словами, благодаря тому, что обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z производят из подходящего полимерного материала, например, путем экструзии, поперечное сечение таких обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z можно выбирать из множества вариантов для оптимизации процесса распределения смолы. Преимущественным является использование обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z с таким поперечным сечением, которое обеспечивает максимальное геометрическое сечение для канала распределения в направлении оси Z и одновременно максимально увеличивает расстояние между армирующими ровингами двух наложенных друг на друга слоев при заданном объеме обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z, причем с минимальным количеством неармирующего материала (полимера моноволокна).
[00146] Обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z, как правило, представляют собой отдельные волокна с диаметром в пределах 100-300 мкм, предпочтительно 100-200 мкм, более предпочтительно 130-170 мкм. Однако обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z имеют несколько других необязательных вариантов. Обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z могут быть сформированы из пучка нескольких моноволокон, т. е. из многоволоконных или других непрерывных элементов, которые имеют, например, 3 волокна, связанных между собой таким образом, что желаемый зазор оставлен со стороны боковых стенок обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z между соседними ровингами, если обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z проходят между ровингами. Однако многоволоконная нить и другие непрерывные элементы или их нанесение и структура должны соответствовать одному условию. Многоволоконные или другие непрерывные элементы должны действовать как моноволокно, т. е. они должны сохранять по существу круглое поперечное сечение даже при сжатии. Иными словами, многоволоконные или другие непрерывные элементы не должны сжиматься так, как обычно сжимаются многоволоконные нити, т. е. позволяя отдельным волокнам двигаться в сторону при сжатии, в результате чего поперечное сечение многоволоконной нити становится не круглым, а плоским или лентообразным. Такой вид требования на практике означает, что многоволоконная нить должна иметь связующее вещество с таким условием, что отдельные волокна многоволоконной нити сплавляются вместе или связующее вещество связывает вместе отдельные волокна в соответствии со способом получения при изготовлении однонаправленного полотна таким образом, что на практике структура многоволоконной нити или других непрерывных элементов изменяется на моноволоконную на ровингах и внутри ламината.
[00147] Диаметр применяемых тонких обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z, или фактически их толщина, находится в пределах 100-300 мкм, предпочтительно 100-200 мкм, более предпочтительно 130-170 мкм. Фактический диаметр, или толщина элементов, зависит от проницаемости используемых армирующих волокон и их диаметра. Следует понимать, что описанное выше относится к диаметру или толщине обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z в случае, если моноволоконная нить или другие обособленные элементы для облегчения распределения смолы в направлении оси Z в некоторой степени являются сжимаемыми, причем диаметр или толщина должны рассматриваться как размер моноволокон или обособленных элементов для облегчения распределения смолы в направлении оси Z при сжатии, вызванном способом получения. При использовании способа вакуумной инфузии давление внутри вакуумного мешка обычно составляет от -980 мбар до -500 мбар, что вызывает сжатие армирующих наполнителей на уровне от 500 мбар до 980 мбар в зависимости от атмосферных условий. Уровень сжатия при использовании способа RTM, вызываемый давлением на армирующие наполнители при закрытии литьевой формы, составляет обычно от 100 мбар до 2000 мбар. Данный уровень сжатия сложно точно определить из-за большой вариации параметров способа и конструкций литьевой формы, в основном он меньше в процессе Light RTM и больше в стальной литьевой форме RTM.
[00148] Армирующий наполнитель настоящего изобретения можно применять в сочетании с любыми инфузионными способами, включая, без ограничений, вакуумную инфузию, процессы Light RTM и RTM. За счет применения армирующих наполнителей настоящего изобретения можно улучшить свойства других ламинатов, в которых распределение смолы замедлено или сдерживается присутствием плотно упакованных волокон или других компонентов ламината, например, слоистых материалов, огнестойких добавок, наполнителей, пигментов и т. п., для которых вязкость смолы может быть слишком высокой.
[00149] Армирующие наполнители настоящего изобретения можно применять для производства как заготовок, так и конечных изделий, т. е. ламинатов, например полок лонжеронов, из которых изготавливают лопасти ветроэнергетических установок. Заготовку можно производить из только одного армирующего наполнителя. Армирующий наполнитель также можно изготовить по меньшей мере из двух армирующих наполнителей, уложив один поверх другого так, чтобы тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, первого армирующего наполнителя были обращены ко второму армирующему наполнителю, размещенному под или над первым армирующим наполнителем, и с применением при необходимости подходящего связующего вещества (иногда для связывания ровингов бывает достаточно простого нагревания армирующего (-их) наполнителя (-ей) с ранее нанесенным связующим веществом) для связывания армирующих наполнителей с образованием заготовки. Однонаправленные армирующие наполнители можно располагать один поверх другого, либо так, чтобы ровинги всех армирующих наполнителей были параллельны, в результате чего получается одноосевое армирующее изделие или заготовка, либо так, чтобы ровинги первого армирующего наполнителя были размещены под углом к ровингам второго армирующего наполнителя. В последнем случае формируется многоосевое армирующее изделие или заготовка. Производство армирующего наполнителя, т. е. изготовление заготовки, может быть выполнено изготовителем армирующего наполнителя, изготовителем конечного изделия или кем-либо на промежуточном этапе между ними.
[00150] Подобным образом можно производить ламинат из армирующего наполнителя изобретения или из описанной выше заготовки. В соответствии с этим способом производства ламината по меньшей мере два армирующих наполнителя, или две заготовки, укладывают в литьевую форму один поверх другого таким образом, что тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, первого армирующего наполнителя обращены ко второму армирующему наполнителю, находящемуся над первым армирующим наполнителем, после чего на армирующие наполнители помещают крышку, закрывают литьевую форму и обеспечивают разность давления для удаления воздуха из литьевой формы и для пропитки армирующего (-их) наполнителя (-ей) смолой.
[00151] В другом варианте осуществления используется только одно полотно однонаправленного армирующего наполнителя, которое размещают в литьевой форме так, что тонкие обособленные элементы, формирующие каналы распределения, обращены как к нижней стороне, так и к крышке литьевой формы.
[00152] Очевидно, что данное изобретение не ограничивается описанными выше примерами и может осуществляться в виде других различных вариантов осуществления в рамках обладающего признаками изобретения концепта. Также очевидно, что элементы, входящие в каждый из описанных выше вариантов осуществления, можно применять в отношении других вариантов осуществления, если это целесообразно.