СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ТИПА СЭНДВИЧ
METHOD FOR PRODUCING MULTILAYER COMPOSITE STRUCTURAL MATERIALS OF SANDWICH TYPE

Изобретение относится к области композиционных материалов, используемых в строительстве, судостроении, автомобильной, аэрокосмической отраслях, и может быть использовано для изготовления многослойных конструкционных материалов типа сэндвич. Сэндвич-панель - материал, имеющий трехслойную структуру, состоящую из двух листов жесткого материала и слоя утеплителя между ними.
Известен способ изготовления панелей типа сэндвич, заявка на изобретение RU 2007111046 «Способ изготовления панелей типа «сэндвич» с комбинированным утеплителем», МПК Е04С 2/26, дата публикации заявки: 10.10.2008. По данному способу для изготовления сэндвич-панелей с комбинированным утеплителем требуется произвести предварительную нарезку минераловатной плиты на ламели, шириной, равной толщине панели, разворот ламели вокруг своей продольной оси на 90°, укладку ламелей на приемный стол, облицовку полученного утепляющего слоя с двух сторон оцинкованным железом, дополнительно перед облицовкой слой минераловатного утеплителя обрабатывают по всей ширине ковра однокомпонентным клеем, при этом интенсифицируют процесс полимеризации клея путем подачи воды в зону подачи клея, а затем на обработанный клеем ковер из минераловатного утеплителя укладывают плиты из пенополистирола и пропускают через прижимные ролики, после чего комбинированный ковер направляют на узел фрезерования, где с помощью дисковой фрезы достигают необходимой ширины ковра со строго вертикальным продольным торцом, перпендикулярным плоскости панели, после чего с обеих сторон ковра укладывают по одной ламели высотой, равной толщине панели, а затем полученный ковер облицовывают с двух сторон оцинкованным металлом.
Недостатками известного способа является: применение в качестве облицовки металла, который утяжеляет конструкцию и требует мероприятий по защите от коррозии; применение клея, который увеличивает количество технологических операций и является концентратором напряжений; применение дополнительного слоя пенополистирола, что увеличивает удельный вес и усложняет технологию и конструкцию; прочностные качества сэндвич-панели ограничиваются низкими механическими характеристиками минераловатного утеплителя.
Известен способ изготовления сэндвич-панелей, патент на изобретение RU 2537307 «Способ изготовления сэндвич-панелей (варианты)», МПК Е04С 2/00, Е04В 1/8, B60R 13/08, дата публикации заявки: 22.07.2013. По данному способу изготовление сэндвич-панелей, содержащих, по меньшей мере, один слой утеплителя, преимущественно пенопласта, и армирующий слой из стеклоткани, включающий соединение армирующего слоя и пенопласта посредством клеевого соединения, дополнительно используют, по меньшей мере, одну матричную форму, рабочую поверхность которой предварительно обрабатывают разделительным составом для смол, затем рабочую поверхность заполняют смолой, преимущественно эпоксидной, слоем преимущественно 0,5-1,5 мм и оставляют до высыхания на отлип, после чего на слой смолы укладывают поочередно дополнительный армирующий слой в виде слоя стекломата и армирующий в виде слоя стеклоткани, далее слои стекломата и стеклоткани пропитывают саморасширяющимся полиуретановым клеем с микросферами и укладывают на слой стеклоткани утеплитель, затем соединяемые слои сжимают и высушивают, преимущественно под давлением посредством вакуумного стола, после полного высыхания слоев матричную форму удаляют.
Недостатками известного способа является: длительное время изготовления - эпоксидная смола требует времени для отверждения от 8 до 24 часов; применение клея, который увеличивает количество технологических операций и является концентратором напряжений; прочностные качества сэндвич-панели ограничиваются низкими механическими характеристиками пенопласта.
Известен способ изготовления сэндвич-панелей, патент на изобретение RU 2402663 «Многослойный конструкционный материал и способ его получения», МПК Е04С 1/40, Е04С 2/34, дата публикации заявки: 27.05.2010. Способ получения многослойного конструкционного материала включает заполнение формы, последовательную подачу материалов слоев, формование, выдержку, извлечение из формы. При этом последовательную подачу материалов слоев выполняют размещением на дне формы слоев базальтовой ткани, пропитанных эпоксидной смолой, размещением пенополиуретанового слоя на слои базальтопластика с последующей укладкой на пенополиуретановую прослойку слоев базальтовой ткани, пропитанных эпоксидной смолой, с промежуточным расположением между ними углеродных нитей. Концы углеродных нитей выводят наружу. Формование и выдержку всех слоев осуществляют одновременно при нагреве до температуры 60°С и давлении 0,5-1,0 МПа до отверждения смолы. При этом соотношение толщины слоя пенополиуретана к толщине слоя базальтопластика 20-80:0,5-1,5.
Недостатками известного способа является: длительное время изготовления - эпоксидная смола требует времени для отверждения от 8 до 24 часов; сложность конструкции; прочностные качества сэндвич-панели ограничиваются низкими механическими характеристиками пенополиуретана; пенополиуретановая прослойка отличается горючестью.
Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления и конструкция сэндвич-панели, патент на изобретение RU 2545370 «Панель типа сэндвича», МПК В32В 3/12, дата публикации заявки: 27.02.2014. Данная конструкция сэндвич-панели, включает в себя внутренний материал сердцевины, имеющего первую и вторую противоположные поверхности, первую и вторую облицовочные пленки, соответственно связанные с первой и второй противоположными поверхностями сердцевины, при этом панель включает в себя открыто-структурированную пленку, введенную между первой поверхностью сердцевины и соответствующей ей облицовочной пленкой, и панель включает в себя меньше 200 г/кв. м клея. Один из вариантов конструкции предполагает использование в качестве облицовочных слоев препрега.
Недостатками известного способа являются:
- длительное время термоотверждения препрега;
- применение клея, который увеличивает количество технологических операций и является концентратором напряжений;
- низкая адгезивная прочность требует для увеличения прочности на отдир применения открыто-структурированной пленки между сердцевиной и облицовочным слоем.
- прочностные качества сэндвич-панели ограничиваются низкими механическими характеристиками сердцевины;
- высокие показатели горючести материалов сердцевины.
Задачами изобретения являются снижение ресурсозатрат, упрощение технологического процесса, повышение огнестойкости, улучшение прочностных характеристик.
Сущность способа заключается в следующем.
Указанные задачи достигаются тем, что в способе производства многослойных композиционных конструкционных материалов типа сэндвич, включающем операции укладки в обогреваемую форму двух облицовочных слоев формовочного пресс-материала и теплоизоляционного слоя из пористого открытоячеистого пенополиуретана или фенольно-резольного пенопласта между ними, термопрессования, выдержки, извлечения из формы, отличающийся тем, что в качестве облицовочных слоев применяют полиэфирный стеклонаполненный пресс-материал - растекающийся препрег, а для увеличения жесткости пористого открытоячеистого пенополиуретана или фенольно-резольного пенопласта производят его предварительную обработку органическим растворителем для открытия пор и пропитки суспензией из эпоксидной смолы, полиэтиленполиамина и неорганического порошкового материала.
Заявляемое изобретение характеризуется следующими особенностями.
В заявляемом способе в качестве облицовочных поверхностей сэндвич-панели применяется полиэфирный пресс-материал или растекающийся препрег (SMC - sheet moulding compound - англ.), который представляет собой листовой, предварительно пропитанный, химически загущенный термореактивный пресс-материал, содержащий пропитанный связующим (ненасыщенная полиэфирная смола с порошкообразным наполнителем и добавками) рубленое стекловолокно. Материал имеет рабочую температуру от -40°С до +200°С и выше, благодаря армированию длинными стекловолокнами и сшитой трехмерной молекулярной структуре полиэфирной смолы. Одинаковый с металлами коэффициент линейного расширения позволяет широко применять при литье и прессовании металлические закладные детали без риска появления внутренних напряжений в изделии. По прочности класс нагрузки для данного материала аналогичен классу металлических изделий. К тому же существенными преимуществами материала по сравнению со сталью является высокая коррозионная стойкость и низкий удельный вес.
Для формования пресс-материала требуется температура 120-160°С и давление 3-5 МПа, то есть сердцевина сэндвич-конструкции должна отличаться пористостью, чтобы обеспечить низкую теплопроводность и проникновение связующего пресс-материала, и достаточной жесткостью, чтобы выдержать давление при формовании. Задача решается предварительной обработкой пористого открытоячеистого материала, например пенополиуретана, фенольно-резольного пенопласта. Производится замачивание пористого материала в органическом растворителе, например ацетоне, хлороформе, дихлорэтане, для увеличения размеров пор, после набухания органический растворитель удаляют отжатием. Затем пористый материал пропитывается суспензией, состоящей из 100 частей эпоксидной смолы, 10 частей полиэтиленполиамина и 20 частей неорганического порошкового материала, например талька, золы, стеклопорошка. Пропитанный суспензией пористый материал отверждается, при этом растворитель испаряется. Таким образом, сердцевина сэндвич-панели решает задачу адгезивной и изгибной прочности, наполнитель в виде талька снижает показатели горючести. В обогреваемую пресс-форму укладывается полиэфирный листовой пресс-материал, который образует нижний слой сэндвич-панели, на него укладывается предварительно подготовленный пористый материал, сверху укладывается верхний слой полиэфирного листового пресс-материала. Затем производится термопрессование при температуре 140°С и давлении 3 МПа. При этом в пористый материал проникает связующее пресс-материала, увеличивая адгезивную прочность. Полиэфирный листовой пресс-материал имеет скорость отверждения 15-60 секунд на миллиметр толщины, то есть на изготовление сэндвич-панели затрачивается 4-6 минут. В отличие от прототипа, в котором сэндвич-панель после укладки слоев вначале отверждается в автоклаве с повышением температуры 2°С в минуту, пока она не достигнет 180°С, а затем 2 часа находится в камере при температуре 180°С и при давлении 3 бара. Таким образом, уменьшается не только время технологического процесса, но и значительно снижается его энергоемкость.
Пример
Получен многослойный композиционный конструкционный материал типа сэндвич толщиной 50 мм. В качестве облицовочных слоев применен полиэфирный стеклонаполненный пресс-материал SMC (SheetMouldingCompound - англ.), листовой пресс-материал, с двух сторон защищенный полимерной пленкой, которая удаляется перед укладкой. В его состав входят полиэфирные ненасыщенные смолы, рубленое стекловолокно, дисперсный минеральный наполнитель, инициатор, пигменты и прочие добавки. В качестве пористого материала применен пенополиуретан. Для увеличения размеров ячеек материал из пенополиуретана замачивался в течение 30 секунд в ацетоне. Таким образом, было достигнуто более чем в 2 раза увеличение размеров пор, что уменьшило последующее «слипание» ячеек. После набухания пенополиуретана в ацетоне капли растворителя удаляли отжатием. Подготовленная заготовка из пенополиуретана пропитывалась суспензией, состоящей из 100 частей эпоксидной смолы ЭД-20, 10 частей полиэтиленполиамина (ПЭПА), 30 частей талька, излишки удалялись отжатием. Пропитанная суспензией заготовка помещалась в вытяжной шкаф на 5 мин, при этом растворитель испарялся. После отверждения формовалась сэндвич-панель при температуре формы 140°С, давлении - 3 МПа, времени выдержки 4 минуты.
Заявляемый способ позволяет сократить количество технологических операций, снизить ресурсозатраты процесса: энергоемкость, временные затраты. Позволяет увеличить огнестойкость, адгезионную и изгибную прочность получаемой сэндвич-конструкции.