СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СУХОЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ЗАГОТОВКИ, СОЗДАННОЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВЯЗАНИЯ, СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПРОДУКТА, ИЗГОТОВЛЕННОГО ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УПОМЯНУТОЙ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ЗАГОТОВКИ
METHOD FOR PRODUCTION OF DRY PRELIMINARY WORKPIECE CREATED AS RESULT OF KNITTING, METHOD FOR CREATION OF PRODUCT MADE OF COMPOSITE MATERIALS, USING MENTIONED PRELIMINARY WORKPIECE

Настоящее изобретение относится к способу получения сухой предварительной заготовки, созданной в результате вязания, в частности, создания детали, изготовленной из композитных материалов.
Способ также относится к созданию продукта, изготовленного из композитных материалов при использовании сухой предварительной заготовки, полученной данным образом.
Композитные материалы имеют значение для различных сфер технологии. Действительно, композитные материалы относятся к материалам, которые включают армирующий элемент и матрицу, при этом упомянутый армирующий элемент внедрен в упомянутую матрицу.
Таким образом, в качестве композитного материала может быть рассмотрен армированный бетон. Действительно, собственные качества бетона особого впечатления не производят, и армирующие элементы, которые изготавливают из стали или синтетических материалов и интегрируют в бетонную матрицу, производят кардинально отличные и в значительной степени превосходные эксплуатационные характеристики в сопоставлении с тем, что имеет место для бетонной матрицы самой по себе.
Композитные материалы, полученные из смоляной матрицы и армирующего элемента, изготовленного из синтетических материалов, в общем случае полимеров, но также и металлов, имеют в своей основе тот же самый общий принцип.
Хотя данный принцип и хорошо известен, тип армирующего элемента, расположение, геометрия, объединение материалов, расположение армирующего элемента в конечной детали, в частности, представляют собой многочисленные параметры, которые можно контролировать, что, таким образом, приводит к получению бесчисленного количества решений.
Во внимание также необходимо принимать и аспекты стоимости, промышленного получения, долговечности, воспроизводимости и контролирования качества.
Поэтому решения являются наиболее сложными.
Настоящее изобретение относится к сфере композитных материалов, при этом какой бы ни была техническая сфера применения, и какой бы ни была использованная матрица, единственным условием является создание предварительной заготовки в результате вязания.
Настоящее изобретение относится к способу создания преобразуемой сухой вязаной предварительной заготовки, которая включает нити, содержащие материал, который предназначается для формирования всего объема или части конечной матрицы композита.
В соответствии с изобретением преобразуемая сухая вязаная предварительная заготовка представляет собой армирующий элемент, у которого по меньшей мере часть материалов, из которых он изготовлен, способна преобразовываться в результате изменения состояния, в результате модифицирования первоначальной структуры, следствием чего является уже невозможность больше идентифицировать изолированным образом преобразованные материалы в продукте из композитного материала, полученном данным образом.
Органические композитные материалы включают минеральные синтетические волокна, такие как стеклянные или органические волокна, которые формируют армирующий элемент и внедрены в матрицу, композиция которой включает по меньшей мере одну органическую смолу.
Методики изготовления конечного продукта, профилированного в соответствии с заданным планом, являются самыми различными.
Укладка включает расположение по меньшей мере одного слоя по меньшей мере одного мата из нетканых волокон и/или по меньшей мере одного текстильного материала, полученного из тканых волокон, на внутренней поверхности первой части пресс–формы таким образом, чтобы придавать армирующему элементу общий профиль. После этого либо вторую часть пресс–формы закрывают, и затем под давлением в различных выбранных точках впрыскивают композицию смолы матрицы, либо на сборной конструкции располагают эластичный мешок, и смолу вводят в результате создания вакуума в различных выбранных точках упомянутого эластичного мешка. Данные различные точки впрыскивания или точки приложения вакуума используются для обеспечения получения безупречного распределения смолы при отсутствии каких–либо захваченных воздушных пузырьков и облегчения течения смолы через армирующий элемент.
Продукты, изготовленные из композитных материалов, демонстрируют одно важное преимущество, а именно, преимущество наличия возможности придания высоковарьируемых и очень сложных геометрических профилей.
В случае армирующих элементов, созданных при использовании тканых или нетканых волокон, как только профиль будет сложным, будет необходимо отрезать различные куски и накладывать их друг на друга для обеспечения сохранения механической прочности и добавлять локализованные куски армирующих элементов, что усложняет воплощение. Кроме того, механическая прочность является небезупречной вследствие отсутствия непрерывности у волокон.
Двумерное или трехмерное вязание нитей делает возможным создание сложного продукта, который может быть непосредственно драпирован поверх двумерной или трехмерной формы, обеспечивая непрерывность нитей по всему полученному вязаному продукту.
Цель заключается в получении возможности непосредственно и при создании одного вязаного продукта создавать трехмерный продукт, изготовленный из композитных материалов.
Цель настоящего изобретения заключается в предложении преобразуемой сухой вязаной предварительной заготовки в соответствии с представленным ниже определением изобретения.
Преобразуемая сухая вязаная предварительная заготовка, полученная при использовании способа, соответствующего изобретению, включает армирующий элемент и то, что станет после преобразования смолой, реализующей нанесение покрытия и/или пропитку, или даже матрицей композита.
Способ получения преобразуемой сухой предварительной заготовки, в частности, создания продукта, изготовленного из композитных материалов, характеризуется тем, что он включает последовательность из следующих далее стадий:
– одновременное вязание утка/петельного столбика при использовании по меньшей мере одной прошивной нити и по меньшей мере одной однонаправленной нити армирующего элемента, при этом по меньшей мере одна прошивная нить содержит материал, природа которого отличается от природы материала, содержащегося в по меньшей мере одной однонаправленной нити армирующего элемента, причем по меньшей мере один из упомянутых материалов представляет собой термопласт и характеризуется температурой плавления, меньшей чем температура плавления по меньшей мере одного другого материала, упоминаемого как армирующий материал,
– создание трехмерного вязаного изделия, которое составляет сухую предварительную заготовку, характеризующуюся профилем продукта, который должен быть получен.
Изобретение также охватывает способ получения продукта, изготовленного из композитных материалов и полученного при использовании сухой предварительной заготовки, соответствующей настоящему изобретению, который включает последовательность из следующих далее стадий:
– расположение упомянутой предварительной заготовки по месту на модели, характеризующейся контуром продукта, который должен быть создан,
– нагревание до по меньшей мере наименьшей температуры плавления таким образом, чтобы реализовать пропитку и/или нанесение покрытия для армирующего материала при использовании, по меньшей мере, одного термопластического материала, преобразуемого в результате плавления, и
– охлаждение продукта, полученного данным образом.
Термин «прошивная нить» должен пониматься в качестве обозначения нити, образующей стежки для вязаного изделия. В изделии, изготовленном в результате вязания утка/петельного столбика, данные стежки собираются стяжками нижележащего петельного ряда.
Однонаправленная нить армирующего элемента (или ОН–нить) является нитью, которую вставляют в стежки вязаного изделия, при этом она укладывается и удерживается в стежках без вхождения в зацепление со стежками.
Термин «термопластический материал» должен пониматься в качестве обозначения полимерного материала, который может быть расплавлен во время получения композита таким образом, чтобы сформировать весь объем или часть матрицы упомянутого композита. Примерами термопластических материалов являются полипропилены и поликарбонаты.
Термин «армирующий материал» должен пониматься в качестве обозначения материала, который не будет расплавляться во время получения композита, и который поэтому предназначается для формирования армирующего элемента композита. Армирующие материалы включают стекло, углерод, кварц и определенные высокотемпературные пластмассы, такие как арамиды (например, Kevlar).
Нить, будь это ОН–нить или прошивная нить, может быть изготовлена либо из термопластического материала, либо из армирующего материала. В последующем подробном описании изобретения термин «материал» поэтому может быть заменен на термин «нить». В альтернативном варианте, нить может содержать множество материалов, в частности, армирующий материал и термопластический материал.
В соответствии с одним признаком способа вязание производят одновременно при использовании одиночной прошивной нити и одиночной ОН–нити. Прошивная нить и/или ОН–нить могут быть независимо изготовлены из одного материала или могут содержать множество материалов. Например, прошивную нить изготавливают из армирующего материала, а ОН–нить содержит термопластический материал и армирующего материала. В соответствии с еще одним примером прошивная нить содержит термопластический материал и армирующий материал, а ОН–нить изготавливают из армирующего материала.
В соответствии с еще одним признаком способа вязание производят одновременно при использовании множества прошивных нитей и/или множества ОН–нитей. Таким образом, стежки вязаного изделия могут быть образованы из множества прошивных нитей. Подобным образом, в вязаное изделие может быть введено множество ОН–нитей. Множество предпочтительно находится в диапазоне от 2 до 10, в частности, от 2 до 6. Возможными являются все комбинации, например, множество прошивных нитей (например, 2 или 3) совместно с одиночной ОН–нитью, множество ОН–нитей (например, от 2 до 6) совместно с одиночной прошивной нитью или также множество прошивных нитей совместно со множеством ОН–нитей. Множество ОН–нитей в выгодном случае может включать по меньшей мере одну нить, содержащую термопластический материал или состоящую из него, и по меньшей мере одну нить, содержащую армирующий материал или состоящую из него. Множество прошивных нитей может включать по меньшей мере одну нить, содержащую термопластический материал или состоящую из него, и по меньшей мере одну нить, содержащую армирующий материал или состоящую из него. В альтернативном варианте, множество прошивных нитей может состоять из нитей, содержащих термопластический материал или состоящих из него. Множество прошивных нитей также может состоять из нитей, содержащих армирующий материал или состоящих из него. В данном случае также возможными являются комбинации, и одним примером, который может быть упомянут, является множество ОН–нитей, включающее по меньшей мере одну термопластическую нить и по меньшей мере одну нить армирующего элемента, совместно со множеством прошивных нитей, также включающим по меньшей мере одну термопластическую нить и по меньшей мере одну нить армирующего элемента, или также множество ОН–нитей, включающее по меньшей мере одну термопластическую нить и по меньшей мере одну нить армирующего элемента, совместно с одиночной прошивной нитью, состоящей из армирующего материала.
Как это упоминалось прежде, нить может состоять из одного материала или может содержать множество материалов.
В соответствии с первым вариантом осуществления прошивная нить и ОН–нить или каждая ОН–нить в каждом случае состоят из различных материалов, при этом один представляет собой термопластический материал, а другой представляет собой армирующий материал. Обычно прошивная нить может состоять из термопластического материала, а ОН–нить может состоять из армирующего материала.
В соответствии со вторым вариантом осуществления, по меньшей мере одна ОН–нить, в частности, одиночная ОН–нить, содержит по меньшей мере один армирующий материал и по меньшей мере один термопластический материал, а, в частности, состоит из армирующего материала и термопластического материала. В данном случае прошивная нить (или по меньшей мере одна прошивная нить) либо может состоять из армирующего материала, либо может состоять из термопластического материала, либо также может содержать армирующий материал и термопластический материал.
В соответствии с первым вариантом данного второго варианта осуществления ОН–нить включает нить из армирующего материала, вокруг которой накручивают нить из термопластического материала. Примерами, которые могут быть упомянуты, являются стеклянная нить, углеродная нить или арамидная нить, вокруг которых накручивают полипропиленовую нить.
В соответствии со вторым вариантом данного второго варианта осуществления ОН–нить включает нить из армирующего материала, окруженную термопластической оболочкой. ОН–нить может быть, например, получена в результате перепускания нити, изготовленной из армирующего материала, через ванну расплавленного термопластического материала, после этого совместного экструдирования сборной конструкции. Примерами, которые могут быть упомянуты, являются стеклянная нить, углеродная нить или арамидная нить, окруженные полипропиленовой оболочкой.
В соответствии с третьим вариантом данного второго варианта осуществления ОН–нить может содержать однородную смесь из множества филаментов из по меньшей мере одного армирующего материала и множества филаментов из по меньшей мере одного термопластического материала. Одним возможным примером является нить, состоящая из однородной смеси из углеродных или арамидных филаментов и полипропиленовых филаментов.
Каким бы ни был выбранный вариант, второй вариант осуществления является предпочтительным, поскольку термопластический материал может глубже проникать во время создания композита, что позволяет избегать формирования сухих областей. Это в результате приводит к лучшей передаче усилий к армирующему элементу и, таким образом, к получению лучшей механической прочности конечного композитного материала. Данный второй вариант осуществления также делает возможным увеличение количества термопластического материала в предварительной заготовке.
По меньшей мере одну однонаправленную нить армирующего элемента вводят во время вязания в целях улучшения механических свойств композита в направлении данной однонаправленной нити. Возможным является введение одиночной ОН–нити или множества ОН–нитей, в частности, двух ОН–нитей.
В соответствии с одним признаком вязание делает возможным введение однонаправленных нитей армирующего элемента, обозначаемых термином «90°–ные ОН–нити», говоря другими словами, в виде утка. Данные нити укладываются в направлении петельных рядов, без вхождения в зацепление со стежками, будучи удерживаемыми в упомянутых стежках.
Данные однонаправленные нити армирующего элемента улучшают механические свойства в направлении утка.
В соответствии с еще одним признаком, который может быть объединен с предшествующим признаком, также интегрируют и однонаправленные нити армирующего элемента, обозначаемые термином «0°–ные ОН–нити», говоря другими словами, идущие в направлении петельных столбиков. Данные нити укладываются в направлении петельных столбиков, перпендикулярно утку, без вхождения в зацепления со стежками, но просто будучи удерживаемыми в стежках.
В соответствии с настоящим изобретением предварительная заготовка интегрирует материал, разработанный для получения армирующего элемента, и материал, разработанный для получения всего объема или части матрицы, таким образом, чтобы получить продукт, изготовленный из композитных материалов, которые могут даже в определенных вариантах осуществления делать возможным опускание стадий впрыскивания и/или вливания смолы. Действительно, в случае обеспечения наличия достаточного количества термопластического материала вследствие присутствия нитей (прошивных нитей или ОН–нитей) в результате нагревания предварительной заготовки может быть получен композитный материал без какого–либо добавления смолы.
Доля термопластического материала в предварительной заготовке предпочтительно находится в диапазоне от 10 до 90% (масс.), в частности, от 50 до 70% (масс.). Второй вариант осуществления, описанный выше в настоящем документе, делает возможным получение больших количеств термопластического материала.
Нити, изготовленные из термопластических полимеров, являются синтетическими нитями, обладающими механическими свойствами, которые делают возможным вязание при их использовании.
Термопластические нити характеризуются низкой восприимчивостью к сдвигу, и их предел прочности при растяжении является надлежащим для использования в вязальных машинах.
Нити располагают в одном и том же нитенаправителе и используют при вязании при расположении по меньшей мере одной в направлении утка и по меньшей мере одной другой в направлении вязаного изделия.
Нити используют при вязании для получения трехмерного вязаного изделия, которое составляет предварительную заготовку, характеризующуюся трехмерным контуром продукта, который должен быть получен.
Для этого могут быть использованы уточновязальные машины, относящиеся к плосковязальному типу.
Соотношениями между по меньшей мере двумя различными материалами или нитями управляют при использовании подачи упомянутых нитей, в частности, при использовании диаметра нити или в результате варьирования доли термопластического материала в ОН–нити в случае содержания в последней термопластического материала.
Это делает возможным управление соотношением матрица/армирующий элемент (соотношением между материалом армирующего элемента и термопластическим материалом) в результате выбора нитей, подачи нитей, плотности ткани или в результате варьирования доли термопластического материала в ОН–нити в случае содержания в последней термопластического материала.
Важной является точность соотношения, а в особенности безупречно контролируют распределение количества по меньшей мере двух материалов по всей поверхности продукта.
Сухая предварительная заготовка характеризуется трехмерным профилем. Предпочтительно профиль является коническим или цилиндрическим. В частности, он может представлять собой цилиндр, характеризующийся круглым или прямоугольным поперечным сечением.
Сухая предварительная заготовка может включать множество областей (например, 2, 3 и более), которые различаются по природе прошивной нити и/или ОН–нити. Это делает возможным адаптирование свойств, в частности, механических свойств, предварительной заготовки в зависимости от областей и в зависимости от конечного варианта использования композита. Например, предварительная заготовка может включать первую область, сформированную из первой прошивной нити и первой ОН–нити, и вторую область, сформированную из второй прошивной нити и второй ОН–нити, при этом природа первой ОН–нити отличается от природы второй ОН–нити, и/или природа первой прошивной нити отличается от природы второй прошивной нити.
Способ получения продукта, изготовленного из композитных материалов при использовании сухой предварительной заготовки, созданной таким образом, включает расположение упомянутой преобразуемой сухой предварительной заготовки на модели, характеризующейся контуром продукта, который должен быть получен, которая может быть жесткой или раздуваемой в случае сложного профиля таким образом, чтобы обеспечить удаление с нее.
В соответствии со способом настоящего изобретения полученную вязаную сухую предварительную заготовку нагревают до температуры плавления по меньшей мере одного из использованных термопластических материалов (в частности, нитей), говоря другими словами, до температуры, при которой упомянутый по меньшей мере один термопластический материал является вязким или даже жидким таким образом, чтобы он мог бы реализовать нанесение покрытия или пропитку для по меньшей мере одного другого материала (в частности, нити) предварительной заготовки или даже внедрение упомянутых материалов (в частности, нитей) в получающуюся в результате термопластическую матрицу. В случае наличия множества материалов, характеризующихся различными температурами плавления, используемая температура будет той, при которой желательные материалы являются вязкими, но меньшей, чем соответствующая температура для материалов, которые должны оставаться твердыми.
Способ предусматривает охлаждение предварительной заготовки после преобразования, после превышения температуры плавления по меньшей мере одного из термопластических материалов таким образом, чтобы получить жесткий, полужесткий или гибкий продукт, характеризующийся контуром продукта, который должен быть получен. Признаки жесткости, полужесткости или гибкости зависят от соотношения (или уровня содержания термопластического материала): в случае низкого количества термопластического материала и только пропитки им по меньшей мере одного другого материала гибкость будет высокой; в случае очень высокого количества термопластического материала и получения в результате из него толстого покрытия жесткость будет большей.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения способ получения композита не включает какой–либо стадии добавления (в частности, в результате впрыскивания и/или вливания) смолы. Предварительную заготовку используют непосредственно, адаптируя соотношение материалов в целях получения желательных механических свойств, при этом по меньшей мере один представитель, выбираемый из термопластических материала или нити, формирует матрицу после преобразования, а по меньшей мере один армирующий материал формирует армирующий элемент. Это является возможным в случае жесткой предварительной заготовки, говоря другими словами, содержащей достаточную долю термопластического материала (обычно, по меньшей мере 30 или 40% (масс.)).
Первоначальная сухая предварительная заготовка после преобразования и удаления предварительной заготовки с модели становится трехмерным продуктом.
В соответствии с еще одним менее предпочтительным вариантом осуществления предварительную заготовку интегрируют со смоляной матрицей. С данной целью преобразованную предварительную заготовку интегрируют в пресс–форме для впрыскивания или ниже эластичного мешка для вливания таким образом, чтобы обеспечить возможность интегрирования упомянутой предварительной заготовки в матрицу, содержащую по меньшей мере одну смолу, которая, в свою очередь, разрабатывается для полимеризации таким образом, чтобы получить продукт, изготовленный из композитных материалов и характеризующийся желательным контуром. Это может оказаться необходимым в случае предварительной заготовки, главным образом состоящей из армирующего материала, формирующего армирующий элемент, при наличии очень маленькой доли термопластического материала. Таким образом, армирующий элемент является жестким или полужестким, но может быть гибким и включает только нити, для которых просто реализуют нанесенное покрытие или пропитку при использовании по меньшей мере одного термопластического полимера.
Смола, в которую может быть внедрен армирующий элемент, должна быть совместимой с термопластическими материалами и материалами армирующих элементов. Смола, например, является эпоксидной смолой.
Предварительная заготовка может быть применена для создания композитных продуктов в строительстве, при связывании с минеральными материалами при использовании гидравлического связующего или для отделочных работ, но главным образом для воздухоплавательной, медицинской и мебельной сфер, при этом данный перечень является совершенно неограничивающим и нелимитирующим.
Следующие далее примеры предлагают неограничивающую иллюстрацию изобретения.
Пример 1
Трехмерная сухая предварительная заготовка, коническая по форме, была получена в результате одновременного вязания при использовании:
– в стежке стеклянной нити (линейная масса 34 текс, говоря другими словами, 34 мг/м) и поликарбонатной нити (60 текс),
– в утке трех стеклянных ОН–нитей (100 текс) и 3 поликарбонатных ОН–нитей (60 текс).
Таким образом, вязаное изделие включает множество прошивных нитей, в данном случае 2, в том числе нитей, изготовленных из армирующего материала, и нитей, изготовленных из термопластического материала, и множество ОН–нитей, в данном случае 6, в том числе нитей, изготовленных из армирующего материала, и нитей, изготовленных из термопластического материала.
Вязаное изделие могло бы быть преобразовано в композитный материал без какого–либо добавления смолы.
Пример 2
Трехмерная сухая предварительная заготовка, в форме круглой трубы, была получена в результате одновременного вязания при использовании:
– в стежке нити Kevlar (89 текс),
– в утке ОН–нити Kevlar (158 текс) и 2 ОН–нитей полимера ПЭИ (132 текс).
Таким образом, вязаное изделие включает одиночную прошивную нить, изготовленную из армирующего материала, и множество ОН–нитей, в данном случае 3, в том числе одной нити, изготовленной из армирующего материала, и двух нитей, изготовленных из термопластического материала.
Вязаное изделие могло бы быть преобразовано в композитный материал без какого–либо добавления смолы.