СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF MAKING ARTICLES FROM COMPOSITE

Изобретение относится к изготовлению профильных изделий из композиционных полимерных материалов, может использоваться при получении арматуры периодического профиля для армирования строительных конструкций, применяемых в гражданском и дорожном строительстве. Профильные полые детали могут применяться для таких изделий как подшипники, втулки, шайбы, опоры. Детали из профильного стеклопластика с высокой термостойкостью прямоугольного, круглого, квадратного, трапециевидного сечения могут применяться в электрических машинах, электротехническом оборудовании.
Известен способ изготовления длинномерных профильных изделий из композиционных материалов по патенту на изобретение РФ №2336169, В29С 55/30, 2008. Способ включает ориентирование непрерывных армирующих волокон, нагрев полученного жгута, пропитку его связующим, формование профиля изделия путем протягивания жгута через обогреваемую фильеру, последующую продольно-поперечную обмотку и отверждение. Связующее дополнительно содержит трифениловый эфир фосфорной кислоты. Связующее на жгут наносят в псевдоожижженном состоянии. Недостатком является невысокая стойкость к воздействию высоких температур, недостаточные физико-механические показатели.
Известен способ изготовления длинномерных профильных изделий из полимерных композиционных материалов по патенту РФ №2009037, В29С 55/30, 1994. Способ включает пропитку связующим непрерывных армирующих волокон, формование профиля путем протяжки заготовки со спиральной навивкой через профилирующую фильеру, отверждение и снятие спиральной навивки. Периодический профиль изделия получается за счет вдавливания навивки в тело заготовки при прохождении через фильеру. После отверждения и снятия навивки на поверхности профиля остаются спиральные канавки. Недостатком является невозможность изготовления изделий с различной конфигурацией и невысокие физико-механические показатели.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрано изобретение по патенту РФ №2381905, В32В 17/04, 2009. Способ изготовления стержня для армирования бетона включает термообработку волокнистого наполнителя, пропитку его полимерным связующим на основе эпоксидно-диановой смолы, протягивание через отжимное устройство, формование поперечного профиля стержня и отверждение связующего. Формование изделия осуществляют путем объединения нитей в единый стержень и спиральной намоткой на него обмоточного жгута из скрученных нитей. Отверждение проводят в режиме ступенчатого нагрева протягиванием отформованного стержня через три термокамеры соответственно при температурах, °С: 145-150, 190-200, 145-150. Скорость протягивания составляет 0,055-0,067 м/с. Недостатком является длительность процесса изготовления изделия, недостаточная его прочность, невозможность получения изделий с различной формой поперечного сечения.
Технической задачей заявляемого изобретения является улучшение эксплуатационных свойств изделия.
Технический результат заключается в повышении физико-механических свойств изделия, степени полимеризации связующего и в расширении диапазона возможных конфигураций изделий.
Технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления изделия из композиционного материала, включающем термообработку волокнистого наполнителя, пропитку его полимерным связующим на основе диановой эпоксидной смолы и отвердителем, протягивание через отжимное устройство, формирование формы изделия, отверждение, согласно изобретению предварительно изготавливают эпоксидно-новолачное связующее со среднечисленной молекулярной массой 300 у.е. и массовой долей эпоксидных групп 8-11 загружая в вакуумный реактор 10-28 мас.% продукт, являющийся структурирующим агентом (для адгезивной системы), полученный эпоксидированием олигомера гидроксифенилена из алкирезорцина со степенью поликонденсации n=0-2 при температуре 180-250°С, 47-80 мас.% диановой эпоксидной смолы и 10-25 мас.% модификатора (алкилфенилглицидиловый эфир), проводят смешение компонентов и варку при температуре 60-250°С в течение 30-180 мин, в полученную смесь вводят отвердитель, форму изделию придают протягиванием волокнистого наполнителя, пропитанного связующим и отвердителем, через сменную фильеру и спиральной намоткой на образовавшийся стержень усиливающего жгута, пропитанного связующим и отвердителем, отверждение проводят в режиме ступенчатого нагрева, протягивая сформованное изделие через термокамеры со скоростью 1,5-6 м/мин при температурах 80-100°С, 100-120°С, 120-150°С, затем остужают естественным способом.
Технический результат обеспечивается тем, что в процесс изготовления изделия включено предварительное изготовление связующего в вакуумном реакторе. Состав, загружаемый в вакуумный реактор, содержит 10-28 мас.% продукта, полученного эпоксидированием олигомера гидроксифенилена из алкирезорцина со степенью поликонденсации n=0-2 при температуре 180-250°С. Данный продукт выполняет роль структурирующего агента (адгезивной системой). Его введение приводит к структурированию полимерной матрицы связующего, придавая ей высокую прочность, минимальную усадку, устойчивость к температурным и химическим воздействиям. Наличие гидроксильных групп в эпоксидном связующем способствует хорошему сцеплению матрицы с минеральными стеклопластиковыми или углеродными волокнами и несущего стержня с волокном обмотки, что влияет на повышение прочности конечного композиционного изделия. Таким образом, высокая прочность изделия обеспечивается как повышением прочности полимерной матрицы связующего, так и волокнистого наполнителя. Кроме того, использование диановой эпоксидной смолы в сочетании с модификатором (алкилфенилглицидиловый эфир) и продуктом, полученным эпоксидированием олигомера гидроксифенилена из алкирезорцина, позволяет проводить варку смолы при температуре от 60 до 250°С, в то время как при обычных условиях диановую эпоксидную смолу получают смешиванием при температуре 60°С. Повышение температуры в вакуумном реакторе позволяет повысить скорость процесса получения связующего с 24 часов до 30-180 минут, что также улучшает свойства изделия. Расширение диапазона возможных конфигураций изделий обеспечивается протягиванием волокнистого наполнителя через сменные фильеры. Форма поперечного сечения изделия определяется формой съемной фильеры. Прочность обеспечивается за счет применения двух способов формообразования - протягивания через фильеру и последующей спиральной намотки на получившийся стержень усиливающего жгута. Кроме того, физико-механические свойства изделия повышаются за счет разделения процессов формования и отверждения. Отверждение проводят в режиме ступенчатого нагрева и охлаждения, протягивая сформованное изделие через термокамеры. Скорость протягивания 1,5-6 м/мин. Оптимальная скорость протягивания, при которой обеспечиваются наилучшие физико-механические свойства изделия составляет 4-6 м/мин. Температура печей, через которые последовательно протягивают изделие, 80-100°С, 100-120°С, 120-150°С. Оптимальные скорость протягивания и температурные интервалы ступенчатого нагрева и охлаждения для изготовления изделий с применением указанного эпоксидно-новолачного связующего определены экспериментально.
Способ изготовления изделий из композиционного материала осуществляют следующим образом.
В вакуумный реактор загружают расчетное количество эпоксидной диановой смолы, модификатора и структурирующего агента (адгезивной системы) - продукта эпоксидирования олигомера гидроксифенилена из алкирезорцина. В качестве модификатора используют алкилфенилглицидиловый эфир. Варку компонентов производят при темепературе 60-250°С в течение 30-180 мин. Затем содержимое реактора остужают естественным образом. Проводят отбор пробы для определения следующих параметров: вязкость, массовая доля нелетучих веществ, содержание эпоксидных групп. Значения заносят в паспорт на данную партию смолы. Затем в приготовленную смолу вводят расчетное количество отвердителя, тщательно перемешивают и дозатором подают в ванну пропитывания армирующих волокон. Далее ровинг или нити из базальтового или углеродного материала или циркониевого стекла, взятые в расчетном количестве, подают в камеру отжига. Подвергают термообработке при температуре 100-250°С до полного удаления замасливателя и влаги. Затем нити и жгуты поступают в пропиточную ванну, где происходит смачивание ровинга или нитей до оптимального соотношения, которое составляет 16-20% от массы ровинга или нитей. Предварительно формуют тело стержня, протягивая нити и жгуты через отжимное устройство. Излишки связующего отжимаются обратно в ванну пропитывания. Далее пропитанные нити и жгуты протягивают через формирующую сменную фильеру, где заготовка изделия формируется по заранее заданной форме, определяемой формой отверстия данной сменной фильеры. Протягивание ровинга и нитей осуществляют посредством тянущего устройства. Объединяют усиливающие жгуты и нити в единое изделие, проводя угловую-тангенциальную спиральную обмотку образовавшегося стержня усиливающим жгутом. Обмотку также осуществляют стеклянными, базальтовыми, углеродными нитями или нитями из циркониевого стекла, или жгутом с диаметром 1-5 мм и шагом оплетки 1-15 мм, скрученным из этих нитей. Затем стержень с получившейся окончательной конфигурацией протягивают через термокамеры, где происходит отверждение заготовки в режиме ступенчатого нагрева при температуре 80-100°С, 100-120°С, 120-150°С. Скорость протягивания 1,5-6 метров в минуту в зависимости от диаметра и конфигурации изделия. Затем остужают естественным способом. Далее автоматически осуществляют нарезку готовой продукции. Стержень нарезают на отрезки необходимой длины в виде изделий различных форм поперечного сечения, например прямоугольной, трапецеидальной, круглой, полукруглой, сегментной. Внешний вид изделия представляет собой детали определенной формы с периодическим профилем за счет угловой тангенциальной намотки с заданным шагом, с ровной блестящей поверхностью без трещин и сколов.
При использовании связующего предлагаемого состава, изготовленного непосредственно перед процессом пропитки, при указанном тепловом режиме и при указанной скорости отверждения происходит более полная полимеризация связующего в составе композиции не менее 100±0,2%.
Изделия, полученные описанным способом, обладают повышенными физико-механическими свойствами. Разрушающее напряжение при растяжении арматуры составляет на ровинге из стекла «Е» не менее 1500 МПа, из ровинга на базальтовом стекле - не менее 1660 МПа, модуль упругости соответственно составляет не менее 75 ГПа и не менее 90 ГПа, водопоглощение 0,3 мас.%, термоустойчивость - 250°С.
Таким образом, изобретение позволяет значительно улучшить свойства изделий из композиционных полимерных материалов и расширить диапазон получаемых конфигураций, что повышает эксплуатационные свойства изделий и открывает новые сферы применения.