Влияние вязкости связующего в пропиточной ванне на пористость композита при мокром способе намотке

Наука к Образование

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Сетевое научное издание

Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 12. С. 192-199.

Б01: 10.7463/0815.9328000

Представлена в редакцию: Исправлена:

© МГТУ им. Н.Э. Баумана

УДК 678.026.2:678.066

Влияние вязкости связующего в пропиточной ванне на пористость композита при мокром способе намотке

Комков М. А., Тарасов В. А.

##.##.2014 ##.##.2014

:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Представлены результаты экспериментальных исследований влияния вязкости эпоксидного связующего на величину пористости полимерно-волокнистого композиционного материала при мокром способе изготовления изделий методом намотки. Показано, что зависимость пористости намотанных однонаправленных композитов для стеклянных волокон ВМ-1 и арамид-ных волокон СВМ от вязкости связующего, находящегося в пропиточной ванне, носит нелинейный характер и может быть использована при проектировании нагревательных устройств пропиточных трактов намоточных станков. Результаты исследований могут быть использованы при разработке технологических процессов изготовления композитных конструкций методом намотки из других армирующих волокнистых наполнителей и термореактивных связующих.

Ключевые слова: композиционный материал, волокнистый наполнитель, эпоксидное связующее, мокрый способ намотки, вязкость связующего, пористость намотанного композита

Одной из главных структурных характеристик полимерно-волокнистых композитов является их пористость. Пористость определяет газопроницаемость материала, его однородность, и как следствие, прочностные свойства композита [1-4]. На процесс насыщения волокон пропитывающим составом при мокром способе намотки оказывают влияние многие технологические факторы: температура связующего, смачиваемость волокон, натяжение нитей, а также конструктивные особенности пропиточно-натяжного тракта намоточного станка [5 -7].

Отличительной особенностью мокрого способа намотки является то, что пропитка волокнистого наполнителя жидким связующим производится непосредственно на станке перед укладкой его на технологическую оправку. При пропитке наполнителя происходит последовательное замещение (вытеснение) воздуха из межволоконного пространства нитей или жгута жидким связующим. Степень пропитки волокнистого наполнителя зависит от вязкости связующего.

Необходимая вязкость термореактивного связующего при мокром способе намотки обеспечивается выбором соответствующей марки смолы, отвердителя и подогревом связующего в пропитывающей ванне. Подогрев связующего снижает его вязкость, улучшает смачиваемость волокон, убыстряет процесс пропитки нитей [8], а отсутствие растворителей в жидком связующем уменьшает количество пор в волокнистом ПКМ.

Проведение экспериментов. В настоящей работе проводились исследования по влиянию только одного технологического параметра намотки - условной вязкости связующего (г\ св) в пропиточной ванне станка на пористость ( г) композитного материала для обычных условий пропитки без использования интенсифицирующих воздействий, таких как вакуум, ультразвук, обжатие и отжим пропитанного волокнистого наполнителя и др.

Условную вязкость связующих и клеев в производственных условиях определяют чаще всего на вискозиметре ВЗ-246 с диаметром сопла 4,0 мм в секундах. По ВЗ-4 находят время истечения жидкости объемом 100 см из резервуара вискозиметра через сопло. Полученное значение времени истечения в секундах, умноженное на плотность

жидкости и константу вискозиметра, представляет собой динамическую вязкость связующего, клея или раствора: г\ж = рж ЬК, Пас, где произведение уж = ЬК, м/с -является кинематической вязкостью. Для времени истечения жидкости из сопла вис-

5 2 2

козиметра ВЗ-4 более 20 секунд можно принять значение К = 0,429-10- м /с .

Для исследования зависимости пористости композитного материала от вязкости эпоксидного связующего ЭДТ-10 были выбраны два вида волокон: стеклянное ВМ-1 в виде нити и арамидное (органическое) волокно СВМ в виде жгута. На рис. 1 показана схема лабораторной установки для намотки цилиндрических образцов полимерно-волокнистого композиционного материала (ПКМ).

Нити и жгуты, пропитанные связующим, наматывались на тонкие алюминиевые трубки. На аналитических весах с точностью до 1 мг взвешивались каждая трубка и шпуля (бобина) с нитью (жгутом) перед началом намотки и сразу после намотки нити на трубку. Разность двух значений взвешивания представляло собой массу волокна в образце (771 в). Требуемая температура, определяющая вязкость связующего в пропиточной ванне 2 (см. рис. 1), регулировалась посредством питающего напряжения нагревательного устройства (ТЭН). Таким образом, изменяя температуру связующего в ванне, можно было варьировать его вязкостью.

Далее производилась намотка композитного образца 3. Нить укладывалась на поверхность оправки (алюминиевую трубку) виток к витку плотно без зазоров. Всего последовательно наматывалось несколько десятков слоев до толщины примерно 6,0 мм. Масса израсходованной нити менялась от образца к образцу случайным образом, но не превышала 2,4 г для стекловолокна ВМ-1 и 6,0 г - для волокна СВМ и контролировалась с достаточной степенью точности.

Скорость намотки и протягивание нити через пропиточную ванну, примерно равную 1,33 м/мин, в течение всей работы оставалась неизменной. Натяжение нитей при намотке во всех случаях поддерживалось на минимальном уровне и составляло 0,3 % от разрушающей силы нити или жгута в состоянии их переработки. Время контакта нити с жидким связующим при длине пропиточной ванны 0,25 м составляло 11,3 с. Намотанные образцы взвешивались сначала на воздухе, а потом - в этиловом спирте. Далее образцы помещались в термическую камеру, где производилась полимеризация связующего ЭДТ-10 по типовому режиму. После чего повторно на воздухе и в спирте производилось взвешивание отвержденных образцов из намотанного ПКМ.

£

Рис. 1. Схема лабораторной установки для намотки цилиндрических образцов ПКМ: 1 - бобина с нитью, 2 - пропиточная ванна со связующим, 3 - намотанный образец, 4 - раскладчик нитей, 5 - натяжное устройство

Обсуждение результатов. Масса композитного образца с оправкой при взвешивании на воздухе т1 представляет собой сумму составляющих:

тг=тв + тсв + ттр,

где тсв и тТр - масса связующего и оправки (трубочки). Откуда масса связующего в образце: тсв =т1—тв— ттр.

Масса того же образца при взвешивании в спирте тсп уменьшится и будет равна:

тг

= т1- (Ктр + Ув + Усв + Уиор)рс

где объемы и плотности материала оправки, волокна и связующего: КТ р = шт р/рт р, Кв = гп^Рв, Ксв = Шсв/'Рсв; рвСВ М = 1,433 г/см3, рввм - 1 = 2,638 г/см3, рсвЭдт- 1 о = 1,234 г/см3, КП 0 р - объем пор.

Объем, занимаемый газовыми включениями (порами) в композитном образце, на основании (1) и (2) вычисляется по формуле:

у _ гах-Шсп тв тсв 1Щр ^

^ Реп Рв Рев Ртр

где рсп - плотность 95 % этилового спирта при 20 °С, рсп = 0,806 г/см .

Далее вычисляется общий объем композитного образца:

Ко бр = Кв + Кв + К, ор

и, согласно (3) - (4), относительная пористость в намотанном образце

£ = КП о р/ Ко б р.

Результаты проведенных экспериментов представлены в графической форме на рис. 2. Значения относительной пористости £ (5) в процентах от условной вязкости связующего 7св, полученные сразу после пропитки наполнителя (жгута или нитей) в ванной и намотки его на оправку (кривые 1 и 2) и полученные после полимеризации связующего ЭДТ-10 в термической камере (кривые 3 и 4), отличаются друг от друга. Разница в показаниях пористости на кривых 1 и 3 (арамидное волокно СВМ) и кривых 2 и 4 (стекловолокно ВМ-1), представляет собой снижение относительной пористости на величину А £ в результате дополнительной пропитки волокнистого наполнителя в полимеризационной камере.

Рис. 2. Зависимость относительной пористости образцов ПКМ от условной вязкости связующего в пропиточной ванне: кривые 1 и 3 - образцы с арамидным волокном СВМ, кривые 2 и 4 - со стекловолокном ВМ-1

Вычисления, проведенные для нескольких значений вязкости связующего, определяющие снижение относительной пористости композита на основе арамидного волокна СВМ ( А есв м = е1 — е3) и на основе стекловолокна ВМ-1 ( А £вм_ 1 = е2 — £4) после полимеризации композитных образцов в термической камере, представлены в таблице.

Таблица

Снижение относительной пористости композитных образцов после полимеризации связующего

Изменение пористости в % от общего объема образца Условная вязкость связующего в ванне г}св, с

30 40 50 70

А £свм 1,9 1,7 1,5 1,3

А £ВМ-1 1,6 1,5 1,4 1,3

Выводы.

1. Относительная пористость намотанных композитных образцов на основе эпоксидного связующего ЭДТ-10, стеклянных ВМ-1 и арамидных СВМ волокон только за счет снижения вязкости связующего путем его подогрева изменяется в значительных пределах от 8 до 14 % от объема материала, что является совершенно недопустимой для композиционных материалов конструкционного назначения.

2. Анализ результатов экспериментальных исследований показывает, что для увеличения содержания связующего до требуемого значения равного 99 % и снижения количества пор до 1-2 % нужны дополнительные технологические приемы, интенсифицирующие воздействия на наполнитель в процессе его намотки на оправку по мокрому способу.

3. К таким приемам и воздействиям, увеличивающим скорость пропитки, снижение количества пор и равномерное распределение связующего по объему ПКМ, относятся:

• нагрев волокнистого наполнителя до температуры 150-200 °С;

• вакуумирование волокнистого наполнителя до давлений Рвак = 20-30 кПа;

• технологические перегибы непрерывно движущегося волокнистого наполнителя на валках;

• последовательное обжатие и отжим пропитанного волокнистого наполнителя подвижными роликами, ножами, упругой фильерой (губкой), клиновой камерой или профилированной фильерой.

Все эти технологические приемы и мероприятия ускоряют процесс изготовления, улучшают качество пропитки, регулируют содержание связующего и пор в ПКМ на требуемом уровне.

Список литературы

1. Кербер М.Л. Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. СПб.: Профессия, 2008. 560 с.

2. Смыслов В.И., Цыплаков О.Г. Технологические основы и опыт создания элементов ракет из композиционных материалов. М.: НТЦ «Информтех-ника», 1993. 260 с.

3. Михайлин Ю.А. Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике. СПб.: НОТ, 2013. 752 с.

4. Буланов И.М., Смыслов В.И., Комков М.А., Кузнецов В.М. Сосуды давления из композиционных материалов в конструкциях ЛА. М.: ЦНИИ информации, 1985. 308 с.

5. Комков М.А. Реологические свойства полимерных связующих, используемых при намотке изделий из композиционных материалов // Клеи. Герметики. Технологии. 2012. № 3. С. 30-35.

6. Komkov M.A. Rheological properties of polymer binders used in the winding of products made of composite materials // Polymer Science Series D. 2013. Vol. 6, is. 1. P. 26-30. DOI: 10.1134/S1995421212040089

7. Комков М.А., Тарасов В. А. Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 431 с.

8. Найт Б. Разбавление эпоксидных смол: статья из журнала Epoxyworks. 1999. № 14 / пер. с англ. С. Баркалова. Режим доступа: http://t22.nm.ru/Thinning.htm (дата обращения 01.11.2014).

Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 12, pp. 192-199.

DOI: 10.7463/0815.9328000

Received: Revised:

##.##.2014 ##.##.2014

Science^Education

of the Bauman MSTU

I SS N 1994-0408 © Bauman Moscow State Technical Unversity

A Binder Viscosity Effect on the Wet-Wounded Composite Porosity in the Impregnating Bath

*

M.A. Komkov, V.A. Tarasov

:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: composite material, fibrous filler, epoxy binder, wet winding, binder viscosity, porosity

wound composite

The aim of this work is to define experimentally an impregnation rate of VM-1 glass fibers and CBM aramid bundles with the epoxy binder EDB-10 using wet method of winding. During the impregnation process of the fibrous fillers by the liquid binder, air is displaced from the interfiber space of fiber and bundle. With the composite product winding a fiber impregnation process is short. That is why gas inclusions or pores are formed in the polymer-fiber composite.

The impregnation rate or porosity of wound material will depend directly on the binder viscosity. To reduce an epoxy binder viscosity temporarily is possible by two ways. The first is to heat a liquid epoxy composition EDB-10 to the maximum possible temperature during the winding process of the product. The second method is to dilute the binder by a solvent, such as acetone or alcohol. However, the solvent reduces its strength.

The paper presents experimental data to show the volumetric content of pores in the wound composite affected only by the viscosity of the epoxy binder. Heating a binder allowed us to regulate a changing conditional viscosity of the binder in the impregnating bath for the normal conditions of impregnation. Other impacts on the impregnation and filament-winding processes, such as filler kinks, squeeze, vacuuming binder, highly tensioned winding, and others were not used.

Experimentally obtained dependences of the porosity value of wound composite on the conditional viscosity of binder are nonlinear and can be used to design heaters for impregnating devices of winders. The research technique and results can be used in development of technological processes to manufacture composite structures by winding from the other reinforcing fibrous fillers and thermo-active binders.

The results show that the volumetric content of pores can significantly vary within 8 - 14 % of material volume. Therefore, to reduce the number of pores in the wound composite to 1-2 %, auxiliary technological approaches are needed which effect on the filler and binder during its winding on the mandrel using wet method. References

1. Kerber M.L. Polimernye kompozitsionnye materialy. Struktura. Svoystva. Tekhnologii [Polymer composite materials. Structure. Properties. Technology]. St. Petersburg, Professiya Publ., 2008. 560 p. (in Russian).

2. Smyslov V.I., Tsyplakov O.G. Tekhnologicheskie osnovy i opyt sozdaniya elementov raket iz kompozitsionnykh materialov [Technological basics and experience in creating missiles elements made of composite materials]. Moscow, STC "Informtekhnika" Publ., 1993. 260 p. (in Russian).

3. Mikhaylin Yu.A. Voloknistye polimernye kompozitsionnye materialy v tekhnike [Fibrous polymeric composite materials in engineering]. St. Petersburg, NOT Publ., 2013. 752 p. (in Russian).

4. Bulanov I.M., Smyslov V.I., Komkov M.A., Kuznetsov V.M. Sosudy davleniya iz kompozitsionnykh materialov v konstruktsiyakh LA [Pressure vessels made of composite materials in aircraft structures]. Moscow, CRI of Information Publ., 1985. 308 p. (in Russian).

5. Komkov M.A. Rheological properties of polymeric binder used in the winding of products from composite materials. Klei. Germetiki. Tekhnologii, 2012, no. 3, pp. 30-35.

6. Komkov M.A. Rheological properties of polymer binders used in the winding of products made of composite materials. Polymer Science Series D, 2013, vol.

6. is. 1, pp. 26-30. DOI: 10.1134/S1995421212040089

7. Komkov M.A., Tarasov V.A. Tekhnologiya namotki kompozitnykh konstruktsiy raket i sredstv porazheniya [Winding technology of composite structures of missiles and weapons]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2011. 431 p. (in Russian).

8. Knight B. Thinning West System Epoxy. Epoxyworks, 1999, no. 14. Available at: http://www.westsystem.com/ss/assets/Uploads/ThinningEpoxy.pdf , accessed 01.11.2014.