СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ ТЕРМОРЕАКТИВНОЙ СМОЛЫ
THERMOSETTING RESIN MOLDING METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее описание изобретения относится к способу формования термореактивной смолы.
Такой способ может быть использован при изготовлении композитных деталей, а, в частности, при изготовлении композитных деталей в результате трансферного формования смолы (ТФС).
Уровень техники
Способ трансферного формования смолы (ТФС) является известным способом, который используют для изготовления деталей из композитных материалов (на основе волокна-смолы), характеризующихся высоким отношением прочности к массе. В обычном варианте способ ТФС включает следующие операции:
получение волоконной заготовки в результате тканья волокон;
расположение волоконной заготовки в пресс-форме для литья под давлением;
нагнетание смолы в жидком состоянии в пресс-форму в целях ее заполнения и импрегнирования волоконной заготовки; и
приложение давления к нагнетаемой смоле и полимеризация смолы в результате нагревания.
Такой способ известен, например, из документа ЕР 0 068 512.
После извлечения из пресс-формы получают композитную деталь, которая содержит волоконную армирующую конструкцию, внедренную в матрицу заполимеризованной смолы. Внешний профиль детали соответствует профилю, принимаемому смолой в полости пресс-формы.
Использующиеся смолы являются очень текучими для обеспечения хорошего проникновения между различными волокнами заготовки, даже при нагнетании под низким давлением. Во время полимеризации под воздействием тепла нагнетаемая смола последовательно переходит из жидкого состояния через гелеобразное состояние в твердое состояние.
Как известно, для того, чтобы избежать или ограничить возникновение дефектов и пор в детали, связанных с выделением газа смолой за время полимеризации, смолу выдерживают под давлением вплоть до полной полимеризации детали. Для этой цели возможным является использование устройства, создающего давление, такого, например, как устройство, описанное в патентном документе WO 2013/068666 A1. Хотя данное решение является удовлетворительным для дефектов и пор среднего размера его осуществление может быть признано затруднительным для дефектов и пор маленького размера (например, размера, меньшего, чем 5 миллиметров (мм)). Говоря конкретно, в таких обстоятельствах уровень давления, требуемый для смолы, зачастую превышает возможности широко используемых устройств, что делает необходимыми использование других устройств, которые являются более дорогостоящими, и адаптирование существующих установок к данным новым устройствам.
В связи с этим существует потребность в новом решении.
Сущность изобретения
Настоящее описание изобретения относится к способу формования термореактивной смолы, например, смолы, относящейся к типу эпоксидной смолы PR520.
На первой ступени данного способа могут быть проведены следующие операции:
заполнение первой пресс-формы термореактивной смолой при одновременном стимулировании варьирования температуры смолы в соответствии с первой температурной программой без превышения температуры стеклования, описываемой символом «Tg», для смолы; и
после заполнения первой пресс-формы приложение к смоле давления при одновременном стимулировании варьирования температуры смолы в соответствии со второй температурной программой без превышения значения Tg для смолы и детектировании падения давления, оказываемого смолой на пресс-форму, путем идентифицирования момента t1, когда давление обнаруживает излом наклона.
На второй ступени способа возможным является проведение следующих операций:
заполнение второй пресс-формы, аналогичной первой пресс-форме, термореактивной смолой при одновременном стимулировании варьирования температуры смолы в соответствии с первой температурной программой; и
после заполнения второй пресс-формы приложение к смоле давления при одновременном стимулировании варьирования температуры смолы в соответствии со второй температурной программой вплоть до момента t2, по существу равного моменту t1, а после этого от момента t2 увеличение температуры смолы в целях превышения значения Tg смолы.
Назначение первой ступени способа заключается в идентифицировании момента t1. Как это предполагают изобретатели, падение давления, наблюдаемое в данный момент, соответствует определенной степени прохождения реакции полимеризации для смолы. Как полагают, при достижении данной степени прохождения реакции смола сжимается и, таким образом, оказывает меньшее давление на пресс-форму. Давление, оказываемое смолой на пресс-форму, может быть измерено при использовании одного или нескольких датчиков давления, находящихся на стенке полости пресс-формы.
Вторая ступень способа заключается в воспроизведении условий формования первой ступени вплоть до момента t2, который близок к моменту t1, а после этого от момента t2 в увеличении температуры смолы за пределы ее значения Tg в целях приложения к смоле большего давления. Например, момент t2 попадает во временной интервал [t1 – 10 минут (мин), t1 + 10 мин] или во временной интервал [t1 – (t1 – t0)/2, t1 + (t1 – t0)/2].
Говоря конкретно, как это наблюдали изобретатели в своем исследовании, нагревание смолы выше ее значения Tg сразу после достижения смолой определенной степени полимеризации (идентифицируемого моментом t1 или временным интервалом в окрестности момента t1) делает возможным получение значительного увеличения давления (обозначаемого ниже термином «пик давления»), которое смола оказывает на пресс-форму. Как это предполагают изобретатели, данный пик давления связан с большим увеличением коэффициента термического расширения смолы при превышении смолой значения Tg, при этом данное увеличение сопровождается большим увеличением объема смолы по мере увеличения ее температуры. Вследствие противодействия пресс-формы данному увеличению объема давление, воздействию которого подвергается смола, становится большим.
«Пик давления», инициируемый во время второй ступени способа, делает возможными увеличение давления, воздействию которого подвергается смола, и, таким образом, позволяет избежать возникновения дефектов или пор при одновременной полимеризации смолы или ограничить их. Данная полимеризация смолы протекает внутри пресс-формы, что, таким образом, делает возможными получение однородного распределения давления в детали (то есть, давление является по существу однородным во всех точках в детали) и избежать потерь напора, которые должны встречаться в случае обычных устройств для приложения давления. Пик давления также делает возможным достижение высоких давлений при отсутствии потребности в специальном оборудовании. Таким образом, предложенный способ делает возможными избежать или ограничить возникновение дефектов и пор маленького размера в формованной детали при отсутствии потребности в изменении обычных установок и формовочного оборудования.
В настоящем описании изобретения термин «Tg» используют для обозначения температуры стеклования согласно измерению, использующему метод дифференциальной сканирующей калориметрии в соответствии со стандартом ASTM E1356.
Вторая ступень способа заключается первоначально в воспроизведении условий формования первой ступени. Именно поэтому выгодно вторую пресс-форму выбирать аналогичной или идентичной первой пресс-форме. В частности, первая и вторая пресс-формы могут представлять собой одну и ту же пресс-форму. В таких обстоятельствах первую пресс-форму опорожняют в конце первой ступени способа в целях обеспечения готовности к повторному использованию на второй ступени. По тем же самым причинам, если решено формовать смолу на армирующей конструкции, скомпонованной в первой пресс-форме во время первой ступени способа, аналогичную или идентичную армирующую конструкцию располагают во второй пресс-форме для второй ступени способа.
В дополнение к вышеупомянутым характеристикам предложенный способ может демонстрировать одну или несколько следующих далее характеристик, рассматриваемых изолированно или в любой технически возможной комбинации:
второй температурной программой является изотермическая программа;
во второй температурной программе температуру смолы выдерживают на уровне значения, попадающего в температурный диапазон [Tg – 20°C, Tg – 10°C];
в момент t2 скорость, с которой увеличивается температура смолы, попадает в диапазон от 0,56°С/мин до 3,3°С/мин (в диапазон от 1°F/мин до 6°F/мин), предпочтительно в диапазон от 1,6°С/мин до 3,3°С/мин (в диапазон от 3°F/мин до 6°F/мин);
термореактивной смолой является эпоксидная смола, а, в частности, относящаяся к типу PR520;
способ используют для изготовления композитных деталей в результате трансферного формования смолы;
продолжительность t1 – t0 попадает в диапазон от 1 мин до 2 часов (час), в частности, в диапазон от 5 мин до 60 мин, в частности, в диапазон от 10 мин до 50 мин, более конкретно, в диапазон от 20 мин до 40 мин, еще более конкретно, в диапазон от 25 мин до 35 мин и, в частности, может составлять приблизительно 30 мин.
Настоящее описание изобретения также предлагает способ формования термореактивной смолы, относящейся к типу эпоксидной смолы, включающий:
заполнение пресс-формы термореактивной смолой при одновременном стимулировании варьирования температуры смолы при использовании первой температурной программы без превышения значения Tg смолы;
после заполнения пресс-формы увеличение температуры смолы для превышения значения Tg смолы; и
после заполнения пресс-формы и до увеличения температуры смолы приложение к смоле давления при одновременном стимулировании варьирования температуры смолы в соответствии со второй температурной программой без превышения значения Tg смолы и в течение предварительно определенной продолжительности времени.
Предварительно определенная продолжительность времени может быть предварительно определена при использовании метода, подобного первой ступени описанного выше метода; в таких обстоятельствах предварительно определенная продолжительность времени является по существу равной продолжительности между концом заполнения пресс-формы и моментом t1 падения давления. Тем не менее, при одновременном определении предварительно определенной продолжительности времени возможным является увеличение температуры выше значения Tg смолы после заполнения пресс-формы без ожидания момента падения давления. Говоря конкретно, будет или нет превышено значение Tg после заполнения и до момента t1 падения давления, не имеет каких-либо последствий при условии низкой степени полимеризации до момента t1. Следовательно, момент t1 падения давления остается идентичным вне зависимости от температурной программы, используемой между концом заполнения пресс-формы и моментом t1.
Другие характеристики и преимущества способа станут явными после ознакомления со следующим далее подробным описанием варианта осуществления предложенного способа.
Краткое описание чертежей
Данный способ и его преимущества могут быть лучше поняты после ознакомления со следующим далее подробным описанием вариантов осуществления изобретения, представленных в качестве неограничивающих примеров. Описание изобретения соотносится с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 демонстрирует то, как варьируются температура и давление во время первой ступени способа формования в варианте осуществления изобретения;
фиг. 2 демонстрирует то, как варьируются температура и давление во время второй ступени способа формования в варианте осуществления изобретения;
фиг. 3 демонстрирует то, как варьируются температура и давление во время способа формования предшествующего уровня техники.
Подробное описание вариантов осуществления
Ниже подробно описывается один вариант осуществления при обращении к фиг. 1 и 2. Данный вариант осуществления демонстрирует характеристики и преимущества изобретения. Тем не менее, необходимо помнить, что изобретение данным вариантом осуществления не ограничивается.
В данном варианте осуществления термореактивной смолой может быть эпоксидная смола, характеризующаяся значением Tg, меньшим, чем температура ее отверждения. В одном примере смола может обладать, по меньшей мере, одним из следующих далее свойств: представлять смолу, относящуюся к классу 180°С, иметь улучшенную ударную вязкость, иметь значение Tg, равное приблизительно 155°С. В варианте осуществления, который подробно описывается ниже, использующаяся смола относится к типу PR 520, и она обладает данными тремя свойствами.
На первой ступени способа в соответствии как показано на фиг. 1 пресс-форму заполняют эпоксидной смолой. Во время заполнения стимулируют варьирование температуры смолы в соответствии с первой температурной программой без превышения значения Tg смолы. В примере фиг. 1 демонстрирует первую температурную программу как изотермическую программу (то есть, при постоянной температуре). В общем случае в целях нагревания смолы используют нагревательные элементы, относящиеся к типу, известному для специалистов в соответствующей области техники. Тем не менее, первой температурной программой может быть и неизотермическая программа, например, одна из программ 10, 12 и 14, продемонстрированных на фиг. 1. Программа 10 включает однородное увеличение температуры с последующим выдерживанием. Программа 12 включает увеличение температуры, в данном примере выше температуры Т1, с последующим падением температуры, в данном примере небольшим падением вплоть до температуры Т1. Программа 14 включает однородное увеличение температуры вплоть до температуры Т1. Как это упоминалось выше, для каждого из примеров программ 10, 12, 14 температура остается меньшей, чем значение Tg.
2
Для заполнения пресс-формы возможным является использование инжектора, относящегося к типу, широко используемому в способах ТФС, например, инжектора, делающего возможным приложение давления литья Pi 0,86 мегапаскпаля (МПа) (то есть, 125 фунтов при расчете на один квадратный дюйм (фунт/дюйм)) к смоле в целях стимулирования ее проникновения в пресс-форму.
В конце данной первой стадии первой ступени способа пресс-форма является заполненной эпоксидной смолой, при этом данная смола находится при температуре Т1, составляющей приблизительно 140°С, (меньше, чем температура Tg смолы, которая в данном примере является равной 155°С). Идентифицируют момент t0, соответствующий концу упомянутой первой стадии. В данный момент t0 степень полимеризации смолы может попадать в диапазон приблизительно от 20% до 30%. После этого начинается вторая стадия первой ступени способа. Инжектор между первой и второй стадиями не останавливают, таким образом, он не прекращает форсированную подачу смолы в пресс-форму, делая, таким образом, возможным приложение к смоле давления (в данном примере давление, оказываемое на смолу инжектором, составляет 0,86 МПа). В свою очередь, смола оказывает определенное давление на пресс-форму. Данное давление Р отличается от давления, оказываемого инжектором, вследствие увеличения объема смолы внутри пресс-формы и, возможно, вследствие потерь напора между инжектором и пресс-формой. Давление Р, оказываемое смолой на пресс-форму, измеряют при использовании одного или нескольких датчиков, скомпонованных во внутреннем пространстве пресс-формы, то есть, на стенке полости. В случае использования множества датчиков берут среднее значение для результатов измерений.
На второй стадии первой ступени, то есть, начиная с момента t0, стимулируют варьирование температуры смолы при использовании второй температурной программы без превышения значения Tg смолы и идентифицируют падение давления, оказываемого смолой на пресс-форму, в момент t1, когда давление Р обнаруживает излом наклона, в частности, первый излом наклона. Падение давления, в частности, обуславливается усадкой смолы внутри пресс-формы во время затвердевания смолы (разъясненное выше сжатие). В момент t1 степень полимеризации смолы может попадать в диапазон приблизительно от 50% до 60%.
Второй температурной программой может быть изотермическая программа, то есть, программа, заключающаяся в выдерживании температуры смолы на уровне постоянного значения, в частности, меньшего, чем значение Tg, например, при приблизительно 140°С. Фиг. 1 демонстрирует вторую температурную программу, которая является изотермической. В таких обстоятельствах, как это можно видеть, давление, оказываемое смолой на пресс-форму, начинает падать в значительной степени (излом наклона) по истечении приблизительно 30 мин от начала второй стадии, и достигает минимума при приблизительно 33 мин. Таким образом, момент t1 соответствует 30 мин от начала второй стадии (то есть, 30 мин после начала второй стадии) для использующейся смолы. В альтернативном варианте, момент t1 может быть идентифицирован как момент, в который давление достигает максимума.
Тем не менее, в случае как первой температурной программы, так и второй температурной программы, являющихся изотермическими программами, данные две программы необязательно должны выдерживаться при одной и той же температуре.
Кроме того, вторая температурная программа также может быть любой неизотермической программой. В порядке примера вторая температурная программа может включать увеличение температуры без превышения температуры стеклования Tg смолы с последующим выдерживанием при температуре, которая не превышает температуру стеклования Tg смолы.
Температурная программа, следующая после момента t1, не слишком важна, поскольку единственное назначение первой ступени способа заключается в идентифицировании момента t1; именно поэтому температурная программа, следующая после момента t1, продемонстрирована на фиг. 1 только частично. Например, после момента t1 возможным является следование температурной программе, подходящей для использования при стимулировании полимеризации смолы, что, таким образом, делает возможным извлечение формованной детали из пресс-формы в целях повторного использования для второй ступени способа.
Ниже при обращении к фиг. 2 описывается вторая ступень способа. На первой стадии второй ступени способа вторую пресс-форму (которая может быть первой пресс-формой или другой пресс-формой, которая является идентичной или аналогичной первой пресс-форме) заполняют той же самой эпоксидной смолой при одновременном следовании первой температурной программе. Во время второй стадии второй ступени способа после заполнения второй пресс-формы к смоле прикладывают давление, следуя второй температурной программе вплоть до момента t2, который является по существу равным моменту t1. В зависимости от варианта момент t2 может попадать во временной интервал [t1 – 10 мин, t1 + 10 мин] или во временной интервал [t1 – (t1 – t0)/2, t1 + (t1 – t0)/2]. Таким образом, вторая ступень заключается в воспроизведении условий формования первой ступени вплоть до момента t2.
В данном примере момент t2 попадает в диапазон 20 мин (то есть, 30 – 10) и 40 мин (то есть, 30 + 10) от начала второй стадии второй ступени способа. В частности, момент t2 является в точности равным моменту t1. Необходимо, чтобы первая стадия первой ступени способа и первая стадия второй ступени способа имели бы по существу одну и ту же продолжительность.
Начиная с момента t2, на третьей стадии второй ступени способа, называемой стадией «отверждения», температуру смолы увеличивают вплоть до превышения значения Tg (155°C для использующейся эпоксидной смолы). В порядке примера во время отверждения температура смолы может быть поступательно увеличена вплоть до 200°С в течение 20 мин. В данном примере температура увеличивается с течением времени при линейном изменении или скорости увеличения температуры, попадающих в диапазон от 5°F/мин до 6°F/мин (то есть, от 2,8°С/мин до 3,3°С/мин). После этого было обнаружено наличие сильного увеличения давления, оказываемого смолой на пресс-форму (или «пика давления»), что примечательно тем, что данное давление значительно превышает давление, оказываемое на смолу инжектором.
2
2
2
2
В целях сопутствования данному увеличению давления и в соответствии с показанным на фиг. 2 возможно увеличить давление Pi, оказываемое инжектором на смолу. Например, возможным является увеличение давления инжектора до Pimax = 155 фунт/дюйм (1,07 МПа) по истечении нескольких минут после момента t1, а, в частности, при достижении давлением, оказываемым смолой на пресс-форму, 125 фунт/дюйм (0,86 МПа). В данном примере, как это было установлено, давление Р, оказываемое смолой на пресс-форму, в значительной степени превышает давление литья, которое в данном примере составляет 155 фунт/дюйм (1,07 МПа): данное давление Р достигает 200 фунт/дюйм (1,38 МПа) в области вершины наблюдаемого пика давления.
Вследствие превышения давлением Р, оказываемым смолой на пресс-форму, давления, создаваемого инжектором, при использовании обычного плунжерного инжектора предпочтительным является закрытие клапана на впускном отверстии пресс-формы, чтобы избежать возврата плунжера инжектора в исходное положение от момента, когда давление Р, оказываемое смолой, начнет превышать давление Pi, создаваемое инжектором.
Для сравнения фиг. 3 демонстрирует способ формования предшествующего уровня техники. Кривая температуры Т является кривой температуры с заданными значениями, в то время как кривая давления Р демонстрирует давление, которое фактически оказывается смолой на пресс-форму.
На первой стадии способа пресс-форму заполняют вплоть до момента t0, когда заполнение пресс-формы достигает предварительно определенного уровня. После этого температуру увеличивают выше значения Tg в целях отверждения смолы. Как это было установлено экспериментально, давление, оказываемое смолой на пресс-форму, уменьшается, что может быть объяснено, в частности, усадкой во время отверждения и образованием трехмерных связей во время полимеризации.
Как это можно видеть в результате сопоставления фиг. 2 и 3, способ в описанном варианте осуществления вводит задержку между концом первой стадии и увеличением температуры выше значения Tg. Данная задержка в данном примере имеет продолжительность t2 – t0. Задержка соответствует времени, в течение которого используют вторую температурную программу (изотермическую в данном примере). Данная задержка делает возможным инициирование увеличения температуры выше значения Tg сразу после достижения смолой степени полимеризации, которая является достаточной для достижения значительной степени увеличения коэффициента термического расширения смолы, что, таким образом, делает возможным получение описанного выше пика давления. Наоборот, в предшествующем уровне техники, как продемонстрировано на фиг. 3, увеличение температуры инициируют при все еще чрезмерно низкой степени полимеризации смолы, что означает невозможность получения вышеупомянутого пика давления.
Вариант осуществления, описанный в настоящем описании, приведен для иллюстрирования, но не ограничивает изобретение, и в свете данного описания изобретения специалисты в соответствующей области техники легко могут адаптировать данный вариант осуществления или предусмотреть другие варианты осуществления при условии попадания в пределы объема изобретения.
В частности, средства, делающие возможным нагнетание смолы в пресс-форму, средства, делающие возможным выдерживание смолы под давлением, или средства нагревания смолы могут быть отличными от соответствующих средств, описанных выше.
Кроме того, термин «содержащий один» должен пониматься как синоним термину «содержащий, по меньшей мере, один», если только не будет указано на противоположное.