СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR PRODUCTION OF RODS FROM POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к производству изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ), которые могут быть использованы в качестве многожильных сердечников проводов, арматуры в бетонных строительных конструкциях, для частичной или полной замены металлической арматуры в железобетонных изделиях и конструкциях и т.п.
Известны способы изготовления стержней из ПКМ на пултрузионной установке, включающей блок пропитки и отжима связующего (RU 2458214 C1, WO 2007025288 Al, FR 2831481 А1). Блок пропитки и отжима выполнен в виде двух элементов: камеры пропитки, представляющей собой открытую ванну, снабженную направляющими и прижимными приспособлениями (валками, роликами, барабанами) и отдельным приспособлением для отжима связующего.
Недостатком указанных известных способов является наличие выброса вредных веществ и отсутствие энергосбережения в связи с наличием в составе используемой пултрузионной установки открытой камеры пропитки, а также сложность аппаратурного оформления процесса в связи с использованием отдельного приспособления для отжима связующего и прижимных и направляющих приспособлений. Кроме того, в местах контакта отдельных волокон с прижимными приспособлениями наблюдаются перегибы, что приводит к возникновению перенапряжений волокон и их повреждению.
Известны также способы изготовления стержней из ПКМ, включающие пропитку непрерывного ровинга термореактивным связующим с последующей термообработкой на пултрузионной установке, содержащей блок пропитки и отжима, в котором камера пропитки выполнена закрытой, с внутренней поверхностью в виде прямого кругового усеченного конуса и имеет отверстия для входа волокна с диаметром, значительно меньшим диаметра основания усеченного конуса (ЕР 0747204 А2, WO 9003877 A1, US 5073413 А).
Недостатками указанных известных способов являются сложность их аппаратурного оформления и низкая прочность целевого продукта, обусловленная тем, что в использованной для осуществления этих способов пултрузионной установке выполнение входа волокна в камеру пропитки с диаметром, значительно меньшим диаметра основания конуса, не обеспечивает на начальном этапе пропитки разделения прядей волокна между собой, что приводит к снижению степени и равномерности пропитки и, как следствие, - снижение прочности целевого продукта. Кроме того, форма внешней поверхности камеры пропитки не способствует максимальному снижению теплопотерь.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления стержней из ПКМ, включающий пропитку непрерывного ровинга термореактивным связующим с последующей термообработкой на пултрузионной установке, содержащей блок пропитки и отжима, выполненный в виде одной камеры с внешней цилиндрической поверхностью и внутренней поверхностью в виде прямого кругового усеченного конуса, снабженной отверстиями для подачи связующего и входа ровинга, а также отверстием для выхода пропитанного ровинга, выполненным в виде сечения конуса, параллельного его основанию, профилирующую фильеру и камеру термообработки (ЕР 0542709 А1 - прототип).
В известном способе используют установку, содержащую перед блоком пропитки и отжима дополнительную камеру, имеющую цилиндрическую внутреннюю поверхность и пластину с отверстиями для входа ровинга, каждое из которых предназначено для отдельной пряди. Пряди ровинга, пройдя указанную камеру, поступают в блок пропитки и отжима. Отсутствие отдельных отверстий для входа прядей непосредственно на входе в блок пропитки и отжима приводит к их подаче на пропитку сжатыми, примыкающими друг к другу, что не обеспечивает равномерную пропитку ровинга даже при наличии нескольких радиальных отверстий для подачи связующего и дополнительного его ввода в продольном направлении через сердечник. При этом подача связующего в продольном направлении через сердечник увеличивает насыщение целевого продукта связующим не за счет повышения степени и равномерности пропитки отдельных прядей, а, как указано в описании изобретения по ЕР 0542709 А1, за счет заполнения связующим пустующей сердцевины образующегося пучка, причем конструкция блока не предусматривает отжима этого излишка связующего. Как указано в описании изобретения по ЕР 0542709 А1, данное обстоятельство приводит к удешевлению целевого продукта за счет разницы в цене между ровингом и связующим, однако при этом явным образом снижается однородность целевого продукта по составу, а следовательно, ухудшаются его прочностные характеристики. Кроме того, в связи с разницей в температурных режимах работы блока пропитки и отжима и профилирующей фильеры, не обеспечивается поддержание необходимой температуры в блоке пропитки и отжима, что также оказывает негативное влияние на процесс пропитки ровинга и, как следствие, на прочность целевого продукта.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа изготовления стержней из ПКМ, лишенного указанных недостатков.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении прочности целевого продукта.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления стержней из ПКМ, включающем пропитку непрерывного ровинга термореактивным связующим с последующей термообработкой, на пултрузионной установке, содержащей блок пропитки и отжима, выполненный в виде одной камеры с внешней цилиндрической поверхностью и внутренней поверхностью в виде прямого кругового усеченного конуса, снабженной отверстиями для подачи связующего и входа ровинга, а также отверстием для выхода пропитанного ровинга, выполненным в виде сечения конуса, параллельного его основанию, профилирующую фильеру и камеру термообработки, используют пултрузионную установку, дополнительно содержащую холодильник, установленный между блоком пропитки и отжима и профилирующей фильерой, блок пропитки и отжима которой выполнен в виде камеры, снабженной двумя соосными отверстиями для подачи связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса, и имеющей внутреннюю поверхность в виде прямого кругового усеченного конуса с конусностью 0,01-0,10, в основании которого расположена пластина с отверстиями для входа ровинга, а отверстие для выхода пропитанного ровинга выполнено имеющим диаметр, на 0,45-0,50% превышающий заданный диаметр целевого продукта.
Предлагаемый способ пригоден для использования в нем в качестве исходного сырья любого ровинга: базальтового, углеродного, стеклоровинга и др. В качестве связующего могут быть использованы различные термореактивные связующие, предпочтительно, полиуретановые и эпоксидные
На чертеже приведена конструкция блока пропитки и отжима, входящего в состав пултрузионной установки, используемой в предлагаемом способе изготовления стержней из ПКМ. Блок пропитки и отжима выполнен в виде одной камеры, снабженной двумя соосными отверстиями 1 для подачи связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса. Внутренняя поверхность камеры выполнена в виде прямого кругового усеченного конуса, в основании которого расположена пластина с отверстиями 2 для входа ровинга, а отверстие 3 для выхода ровинга выполнено в виде сечения усеченного конуса, параллельного его основанию.
Осуществление предлагаемого способа состоит в следующем.
2
2
Паковки ровинга устанавливают на шпулярник. Пряди ровинга через нитепроводящую гарнитуру последовательно пропускают в блок пропитки и отжима, холодильник, профилирующую обогреваемую фильеру, камеру термообработки и закрепляют в траках тянущего устройства. При использовании базальтового или стеклянного ровинга, являющихся абразивным материалом, всю нитепроводящую гарнитуру изготавливают из материалов с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью, таких как керамика. Перед включением тянущего устройства включают обогрев профилирующей фильеры и камеры термообработки для достижения необходимых температурных показателей. После этого включают тянущее устройство и выставляют заданную скорость протяжки. Пряди ровинга, сходящие со шпулярника, проходят через нитепроводящую гарнитуру непосредственно в блок пропитки и отжима. Блок пропитки и отжима выполнен в виде одной камеры, схематическое изображение которой приведено на чертеже. Связующее из дозатора подается в блок пропитки и отжима через два соосных отверстия 1 перпендикулярно направлению движения ровинга. Пряди ровинга подают через соответствующее количество отверстий 2. Выход пропитанного ровинга осуществляется через отверстие 3, где происходит отжим излишка связующего. Количество отверстий 2 выбирается в зависимости от заданного содержания ровинга в получаемом ПКМ. Так, при использовании базальтового (с внутренней размоткой) или стеклянного ровинга для изготовления стержня с расчетной площадью сечения от 3,8 до 51,9 мм требуется соответственно от 8 до 64 отверстий 2. Диаметр отверстий 2 и 3, а также линейные размеры камеры выбираются в зависимости от вида и линейной плотности ровинга и заданного его содержания в получаемом ПКМ. Например, для изготовления в качестве конечного продукта стержня диаметром 5,97 мм с расчетной площадью сечения 27,98 мм, изготавливаемого из базальтового ровинга линейной плотности 600 Текс и полиуретанового связующего, необходимо 34 отверстия 2 диаметром 4 мм для входа ровинга и одно отверстие 3 для его выхода диаметром 6 мм (последний на 0,50% больше диаметра целевого продукта). Выполнение отверстия для выхода пропитанного ровинга с диаметром, на 0,45-0,50% превышающим заданный диаметр целевого продукта, обеспечивает отжим излишка связующего и завершает равномерную пропитку прядей ровинга. На основе рассчитанного таким образом диаметра отверстия 3 для выхода пропитанного ровинга с учетом необходимого количества отверстий 2 для входа ровинга и того, что значение конусности внутренней поверхности камеры должно быть выбрано из интервала от 0,01 до 0,10, определяются длина камеры и диаметр пластины, достаточный для равномерного размещения необходимого количества отверстий 2 для входа ровинга в блок пропитки и отжима. Под конусностью, в соответствии с ГОСТ «Основные нормы взаимозаменяемости. Нормальные конусности и углы конусов», понимается величина С, рассчитанная по следующей формуле:
C=(D-d)/L,
где D - диаметр основания конуса,
d - диаметр сечения, параллельного основанию,
L - расстояние между основанием конуса и указанным сечением.
Отверстия 2 для входа ровинга могут размещаться на пластине с расстоянием, большим, чем расстояние, обусловленное технологическими возможностями используемого для их выполнения инструмента, или равном ему, т.к., как показали эксперименты, при условии выполнения внутренней поверхности камеры с вышеуказанными параметрами полная однородность продукта пропитки по составу достигается при любом указанном размещении отверстий. Пропитанный ровинг из блока пропитки и отжима через холодильник проходит в профилирующую фильеру, где происходит формирование композитных прутков. Холодильник может быть выполнен в виде фланца с водяным охлаждением. Задача холодильника - изолировать теплопередачу от профилирующей фильеры, работающей при высокой температуре (от 120 до 190°C), к блоку пропитки и отжима, температура в котором значительно ниже (не выше 35°C), что позволяет поддерживать в блоке пропитки и отжима заданный температурный режим. Профилирующая фильера может быть выполнена, например, в виде разъемной стальной конструкции, состоящей из двух параллелепипедов с отфрезерованной и обработанной цилиндрической канавкой по длине каждой части, которые при смыкании образуют цилиндрическую поверхность, соответствующую диаметру целевого продукта. Профилирующие фильеры обжаты по всей длине обогреваемыми тэнами, разделенными на три зоны контроля температур. Температура по зонам определяется в зависимости от выбранного профиля целевого продукта, связующего и скорости процесса. Разделение профилирующей фильеры на зоны с заданной температурой (в первой зоне 120-150°C, во второй 160-190°C, в третьей 140-160°C) обеспечивает следующее: в первой зоне происходит разогрев связующего, во второй зоне - процесс гелеобразования и отверждения связующего, в третьей - релаксация (снятие внутренних напряжений). На выходе из профилирующей фильеры сформированный профиль поступает в камеру термообработки. В камере термообработки, представляющей собой многосекционную туннельную печь, происходят окончательное отверждение полимерной матрицы и термообработка профиля, необходимая для достижения оптимальных прочностных и эксплуатационных характеристик. В камере термообработки устанавливается температура в диапазоне 190-205°C. Превышение данных температур может привести к деструкции полимерной матрицы профиля. Профилирующая фильера и камера термообработки снабжены пультом управления, обеспечивающим поддержание заданной температуры. На выходе из камеры термообработки композитные прутки проходят через тянущее устройство предпочтительно тракового типа, а затем собираются в пучок, обжимаются скобами с помощью клипсатора, сматываются в мотки и отрезаются с помощью отрезной пилы. Все составные части используемой в предлагаемом способе установки, за исключением блока пропитки и отжима, являются промышленно выпускаемыми изделиями, предназначенными для пултрузионных установок.
В предлагаемом способе, как и способе-прототипе, используют пултрузионную установку, включающую закрытый блок пропитки и отжима, выполненный в виде одной камеры, что упрощает конструктивное оформление процесса, исключает выброс вредных веществ, а также способствует снижению теплопотерь. Снижению теплопотерь способствует также выполнение внешней поверхности блока пропитки и отжима цилиндрической, как и в установке, используемой в способе-прототипе. Отсутствие в установке, используемой в предлагаемом способе, как и в установке, используемой в способе-прототипе, направляющих и прижимных приспособлений в составе блока пропитки и отжима упрощает ее конструктивное оформление процесса и повышает сохранность целостности волокна ровинга. Выполнение внутренней поверхности блока пропитки и отжима в виде прямого кругового усеченного конуса, а отверстия для выхода ровинга - в виде сечения этого конуса, параллельного его основанию, исключает возникновение контактов ровинга с углами на внутренней поверхности блока пропитки и отжима (в связи с отсутствием таких углов), т.е. возникновение в нем микротрещин.
Как показали проведенные эксперименты, способ по предлагаемому изобретению обеспечивает по сравнению со способом-прототипом повышение прочности целевого продукта.
Целевой продукт в виде стержня был получен из стеклоровинга с линейной плотностью 2280-2520 Текс и эпоксидного связующего, включающего эпоксидную смолу, отвердитель изофорондиамин, ускоритель циклоалифатический амин (аминное число 500-540 мг КОН/г). Блок пропитки и отжима выполнен в виде камеры, снабженной двумя соосными отверстиями для подачи связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса, и имеющей внутреннюю поверхность в виде прямого кругового усеченного конуса с конусностью 0,05, в основании которого расположена пластина с отверстиями для входа ровинга, а отверстие для выхода пропитанного ровинга выполнено имеющим диаметр, на 0,45% превышающий заданный диаметр целевого продукта. В профилирующей фильере температурный режим разделен на следующие зоны: в первой зоне средняя температура 135°C, во второй 175°C, в третьей 150°C, а в камере термообработки 200°C. Полученный целевой продукт имеет предел прочности при разрыве 1400 МПа.
Продукт, полученный из того же сырья (ровинга и связующего) в сравнительных испытаниях согласно способу-прототипу, имеет предел прочности при разрыве 1100 МПа.
Испытания, проведенные при использовании в качестве исходного сырья полиуретанового связующего, а также базальтового и углеродного ровинга, показали те же результаты: прочность продукта предлагаемого способа в среднем на 20% превышает прочность продукта способа-прототипа.
Указанный технический результат обусловлен следующим.
Величина диаметра отверстия для выхода ровинга из блока пропитки и отжима в сочетании со значениями конусности определяют размеры и форму внутренней поверхности блока пропитки и отжима и являются, наряду с поддержанием заданного температурного режима, поддерживаемого благодаря наличию холодильника между блоком пропитки и отжима и профилирующей фильерой, факторами, определяющими кинетику и физико-химические характеристики процесса пропитки ровинга связующим. Проведенными экспериментами было подтверждено следующее: даже при минимально допустимой, согласно предлагаемому изобретению, конусности внутренней поверхности блока пропитки и отжима при выполнении отверстия для выхода ровинга с диаметром, на 0,45-0,50% превышающим заданный диаметр целевого продукта пултрузионной установки, и любом диаметре пластины на входе в блок пропитки и отжима, достаточном для размещения отверстий в количестве, соответствующем количеству прядей ровинга, обеспечивается равномерная пропитка ровинга связующим и однородность по составу целевого продукта при условии, что пластина с отверстиями для входа ровинга является конструктивной частью блока пропитки и отжима и располагается на входе в него ровинга. Последнее обеспечивает, в отличие от прототипа, подачу в блок пропитки и отжима ровинга, пряди которого не прижаты друг к другу, а, напротив, отделены друг от друга. Как показали эксперименты, при указанных параметрах блока пропитки и отжима подача связующего через два отверстия, расположенные на оси, перпендикулярной оси конуса, исключает появление застойных зон внутри камеры. Превышение значения конусности, свыше допустимого согласно предлагаемому изобретению, приводит к недостаточной пропитке прядей ровинга в связи с отсутствием необходимого давления, что снижает однородность по составу продукта пропитки и, как следствие, прочность целевого продукта. Снижение конусности ниже 0,01 приводит к появлению застойных зон внутри камеры при размещении отверстий для подачи связующего согласно предлагаемому изобретению, что также снижает равномерность пропитки, однородность продукта пропитки по составу и, как следствие, прочность продукта пултрузии. Выполнение отверстия для выхода ровинга из блока пропитки и отжима, имеющим диаметр, на 0,45-0,50% превышающий заданный диаметр целевого продукта, позволяет повысить однородность продукта пропитки и, следовательно, прочность целевого продукта, а также избавиться от излишка связующего без включения в состав пултрузионной установки дополнительных элементов. При прохождении сквозь отверстие для выхода ровинга из блока пропитки и отжима на пропитанный ровинг оказывается давление, завершающее процесс пропитки ровинга в массе, обеспечивающее однородность продукта пропитки по составу, в том числе за счет удаления связующего из середины пучка пропитанных волокон, и, как следствие, - повышение прочности целевого продукта. Выполнение отверстия для выхода ровинга из блока пропитки и отжима с диаметром, более чем на 0,50% превышающим диаметр целевого продукта, не создает необходимого давления, что не позволяет не только полностью отжать излишек связующего, но и дополнительно обеспечить однородность продукта пропитки. Выполнение отверстия для выхода ровинга с диаметром, менее чем на 0,45% превышающим диаметр целевого продукта, затрудняет выход пропитанного ровинга и нарушает его целостность. Разделение профилирующей фильеры на три зоны с заданной температурой (в первой зоне 120-150°C, во второй 160-190°C, в третьей 140-160°C) и поддержание в камере термообработки температуры в диапазоне 190-205°C обеспечивает постепенное отверждение связующего и снятие внутренних напряжений, не допуская деструкции полимерной матрицы профиля.