Способ изготовления листовых изделий из полимерно-композитных материалов методом непрерывного формирования
METHOD OF MANUFACTURING SHEET PRODUCTS FROM POLYMER-COMPOSITE MATERIALS BY CONTINUOUS FORMING METHOD

Изобретение относится к области строительных материалов, а именно к способу изготовления профилированных изделий из полимерно-композиционных материалов и может быть использовано при создании долговечного изделия с высокими механическими эксплуатационными свойствами, используемого, например, для несущих конструкций, облицовки стен, покрытия кровли, и выполнения других строительных задач.
Композиционные материалы (композиты) (от лат. compositio - составление), многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) - это композиции на основе армирующих высокопрочных высокомодульных волокон и термореактивных или термопластичных связующих матриц.
В качестве связующей матрицы могут применяться термопласты (полиамид, полипропилен и др.). В этом случае волокна наполнителя укладывают или переплетают с волокнами термопластичного связующего, так, чтобы волокна связующего и наполнителя были достаточно равномерно распределены в объеме заготовки.
Современное производство элементов конструкций из ПКМ в значительной мере ориентируется на препреговую технологию изготовления изделий.
Таким образом, технологический процесс получения изделий из композиционных полимерных материалов делится на два этапа: получение заготовки заданной конфигурации и ее формование для достижения высокой прочности и жесткости.
Известен способ изготовления кровельного материала, согласно которому приготавливают из волокнистого сырья суспензию волокнистой массы с введением в нее связующего, перемешивают с добавлением воды до получения гомогенной смеси, осаждают суспензированную смесь волокнистой массы, пропитанной связующим, тонким слоем на сетчатую поверхность движущейся ленты отливочного агрегата, обезвоживают путем фильтрования воды через сетчатую поверхность движущейся ленты, в последующем формируют и уплотняют барабаном на движущейся ленте, механически обрабатывают и профилируют полученный полуфабрикат, прессуют, высушивают в сушильном шкафу, охлаждают при окружающей температуре, складируют, прессуют, высушивают в сушильном шкафу, охлаждают при окружающей температуре, складируют готовые изделия, после высушивания в сушильном шкафу полученный материал покрывают атмосфероустойчивым защитным слоем из термоактивных смол, подсушивают и дополнительно обрабатывают горячим прессованием с получением требуемой текстуры микрорельефа (UZ 4410 С, 30.09.2011).
Известен способ изготовления длинномерный профильных изделий из полимерных композиционных материалов, согласно которому формируют заготовку из непрерывных армирующих волокон, пропитывают связующим, формируют профиль путем протяжки через профилирующую фильеру с одновременным отверждением и спиральную навивают обмоточный материал, при этом навивку осуществляют одной или несколькими мононитями в противоположных направлениях перед входом в фильеру, а после прохождения через нее мононити удаляют (RU 2009037 С1, 15.03.1994).
Наиболее близким решением к заявленному изобретению является способ изготовления листовых волокнисто-пористых элементов из нетканого волокнистого материала, согласно которому расплав полимерного материала подается через головку экструдера в виде нити на узел формирования волокнисто-пористых элементов, выполненного в виде установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения стола. Полимерный материал, например полиэтилен, в виде гранул или дробленных отходов загружается в экструдер и продавливается в коллектор, где разогревается электронагревателями, пластицируется и превращается в расплав, который затем поступает в сопла, в которых превращается в струи полимерного материала. Под воздействием струи сжатого воздуха, который истекает из сопел, струи полимерного материала перемещаются на выходе из сопел по кругообразной траектории. Из сопел струи полимерного материала поступают на расположенную под соплами поверхность бесконечной ленты. Бесконечная лента перемещается вместе со столом в поперечном направлении относительно продольной оси цилиндрического коллектора, причем величина поперечного хода определяет ширину будущего листа волокнисто-пористого элемента, а максимально возможная ширина волокнисто-пористого элемента определяется шириной бесконечной ленты. После прохождения под форсунками на заданную величину хода в поперечном направлении бесконечная лента смещается в продольном направлении на заданную величину хода, а стол перемещается в поперечном направлении в обратном поперечном направлении. Таким образом, путем продольного и поперечного перемещения под форсунками бесконечной ленты формируются слои волокнисто-пористого элемента с постепенным наращиваем его толщины до заданного уровня, при этом струи полимерного материала под воздействием сжатого воздуха подвергаются интенсивной вытяжке и превращаются в волокна в виде тонкой нити, которые по спиралевидной траектории равномерно распределяются по наружной поверхности бесконечной ленты (RU 54047 U1, 10.06.2006).
Недостатками упомянутых выше известных из уровня техники способов является создание изделий из полимерно-композиционных материалов с низкими механическими эксплуатационными свойствами (прочность, шероховатость) при использовании прерывного процесса формирования изделия с маленьким сроком службы, а также использование большого объема материала, используемого для изготовления.
Технический результат - повышение прочности и долговечности (более 20 лет) листового изделия, уменьшение шероховатости, обеспечение возможности непрерывного изготовления профилированного изделии из полимерно-композиционного материала, включающего волокнистые элементы, в том числе и вторичное волокно, и как результат увеличение механических эксплуатационных свойств материала, увеличение срока службы изделий, повышение производительности процесса, снижение объема материала, пользуемого для изготовления изделия.
Технический результат достигается тем, что способ изготовления листовых изделий из полимерно-композитных материалов методом непрерывного формирования, включающий следующие этапы:
- подачу пленочного термопластичного материала толщиной от 20 до 500 мкм, используемого в качестве нижнего слоя изделия, на стол, имеющий сплошное покрытие,
- осевое равномерное распределение смеси реактопластичного полимерного материала по всей толщине сплошного покрытия,
- гравитационное равномерное распределение в смеси реактопластичного полимерного материала волокнистых элементов из стекла или базальто или угольного волокна, в том числе вторичного волокна, длиной от 0,5 до 100 мм, для получения полимерно-композиционного материала, обеспечивающееся двумя прижимными щетками при максимальной скорости от 0,5 до 20 метров в минуту,
- нанесение верхнего слоя пленочного термопластичного материала, аналогичного нижнему слою, обеспечивающееся ограничителями, предотвращающими попадание неотвержденной полимерно-композиционной смеси с основы нижнего слоя изделия на элементы устройства, при этом расстояние от края нижнего пленочного слоя изделия до полимерно-композиционного материала не менее 70 мм,
- равномерное распределение полимерно-композиционного материала по всей толщине изделия методом прокатки,
- нагревание полимерно-композиционного материала, обеспечивающееся его подачей в полимеризационную нагревательную камеру, на выходе которой установлены дублирующие фильеры для уточнения геометрического профиля листового изделия и предотвращения распределения тепла, при этом нанесение с двух сторон пленочного термопластичного материала создает при прохождении через полимеризационную камеру совместный слой с реактопластичным материалом,
- охлаждение листовых изделий из полимерно-композитных материалов, обеспечивающееся системой контроля температуры,
- обработка листовых изделий из полимерно-композитных материалов, обеспечивающееся протяжкой листового изделия с ведущим валом и прижимными роликами, расположенными по заданной геометрии профиля изделия, с последующей обрезкой по заданной длине листового изделия,
причем процесс формирования листовых изделий из полимерно-композитных материалов осуществляется путем последовательного и непрерывного выполнения указанных выше этапов.
Сущность изобретения заключается в том, что способ для изготовления листовых изделий из полимерно-композитных материалов методом непрерывного формирования заданной геометрии толщиной от 0,5 до 20 мм, (при этом минимальная толщина 0,5, максимальная толщина исходит из технической возможностей линии для отверждения), осуществляется путем последовательного и непрерывного выполнения следующих этапов: подачу пленочного термопластичного материала толщиной от 20 до 500 мкм, состоящего из ПВХ, РЕ, РР, LDPE, PS и ПЭТ или ПНД, на стол, имеющий сплошное покрытие, при этом указанный пленочный термопластичный материал используется в качестве нижнего слоя изделия, а сплошное покрытие используется для разделения и перемещения всего непрерывного листа изделия по столу непрерывного формования; осевого равномерного распределения смеси реактопластичного полимерного материала по всей толщине сплошного покрытия с помощью блока подготовки, смешения, разогрева и дозирования. После проводят гравитационное равномерное распределение при максимальной скорости от 0,5 до 20 метров в минуту в смеси реактопластичного полимерного материала волокнистых элементов из стекла или базальто или угольного волокна, в том числе вторичного волокна, длиной от 0,5 до 100 мм, для получения полимерно-композиционного материала. При этом, чем тоньше пленка, тем меньший по толщине материал производиться - до 0,5 мм и выше скорость протяжки - 20 м/мин. Чем толще пленка, тем ниже скорость 0,5 м/мин и толщина материала. Также оптимальная длина волокна, в том числе вторичного, составляет 15-40 мм, а более широкий диапазон обоснован снижением себестоимости и применением вторичного волокна в более широком диапазоне - до 100 мм, при этом волокна меньше 0,5 мм - уже не дают армирующего эффекта, а являются наполнителями материала. Также увеличивается эффект от армирования волокнами свыше 30 мм и до 100 мм, и осложняется процесс подготовки волокна и его распределение. Для более равномерного распределения волокнистых элементов при максимальной скорости от 0,5 до 20 метров в минуту вышеуказанный стол снабжен двумя прижимными щетками, причем, чем ниже скорость, тем длиннее стол непрерывного формирования, тем выше себестоимость, поэтому такая скорость применяется для больших толщин изделий до 10-25 мм со сложным профилем, а себестоимость изделий значительно снижается при производстве тонких изделий из ПКМ 0,5-1,5 мм при высокой скорости до 20 м/минуту. После этапа равномерного распределения в смеси реактопластичного полимерного материала волокнистых элементов осуществляется нанесение верхнего слоя пленочного термопластичного материала, аналогичного нижнему слою, предотвращающего попадание неотвержденной полимерно-композиционного смеси на элементы устройства при помощи ограничителей, предотвращающих его растекание. При этом расстояние от края нижнего пленочного слоя до полимерного композиционного материала не менее 70 мм.
Кроме того, нанесение с двух сторон пленочного термопластичного материала создает при прохождении через полимеризационную камеру совместный слой с реактопластичным материалом, что в конечном изделии увеличивает прочность изделий, создает ровное глянцевое покрытие с минимальной шероховатостью, которое снижает загрязнения, например, пыль или снег и лед на кровле, и создает красивый визуальный дизайн данного изделия за счет последующей прокатки. Затем, с помощью блока прокатки, включающего, по меньшей мере, два вала, осуществляется равномерное распределение полимерно-композиционного материала по всей толщине изделия, перед прохождением материала через полимеризационную нагревательную камеру. Для уточнения геометрического профиля листового изделия и предотвращения распределения тепла полимеризационная нагревательная камера включает две скользящие прижимные нагревательные фильеры, выполненные в виде вращающихся валов с заданной геометрией, ограничители температуры, камеру нагрева, а на выходе камеры установлены дублирующие фильеры. Далее осуществляется подача и перемещение материала в блок охлаждения и обработки листовых изделий из полимерно-композитных материалов, включающий узел протяжки листового изделия с ведущим валом и прижимными роликами, расположенными по заданной геометрии профиля изделия, который позволяет автоматизировать технологический процесс изготовления профилированного листа и контролировать скорость линии от степени отверждения материала, узел обрезки по заданной длине листового изделия, работающий со скоростью работы линии, и приемный стол. В результате удалось создать способ для формирования листового изделия из полимерно-композиционного материала, в том числе и с использованием вторичного волокна с заданной геометрической формой.
Таким образом, описанный способ позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении прочности и долговечности (более 20 лет) листового изделия, уменьшении шероховатости, обеспечении возможности непрерывного изготовления профилированного изделии из полимерно-композиционного материала, включающего волокнистые элементы, в том числе и вторичное волокно, и как результат увеличении механических эксплуатационных свойств материала, увеличении срока службы изделий, повышении производительности процесса, снижении объема материала, пользуемого для изготовления изделия.