Технологические параметры процессов намотки

Всвязи с тем, что материал наматываемых изделий фор­мируется во время их намотки, его физико-механические свой­ства в значительной степени зависят от технологического про-

 

200

Рис. 2.50. Технологическая схема изготовления песчано-полимерной оправки

Основными параметрами, определяющими свойства ПКМ, и соответствии с законом аддитивности, являются характерис­тики компонентов и объемное содержание ν_B волокон в ком­позите:

σ_К = ν_B σ_В + (1 - ν_B) σ*_СВ

Здесь σ_К , σ_В , σ*_СВ — прочности компонентов, волокон и связу­ющего соответственно.

Из уравнения видно, что с увеличением коэффициента армирования ν_B предел прочности однонаправленного КМ ли­нейно возрастает. Однако эксперименты показывают, что су­ществует оптимальное значение коэффициента ν_B°^пт (рис. 2.51), при котором σ_К достигает своего максимума (σ_К^мах) при растя­жении. Так, для однонаправленных стеклопластиков ν_B^опт = 0,70...0,72, а для органо- и углепластиков ν_B^опт = 0,60...0,65.

Это объясняется тем, что предельные значения коэффици­ента армирования зависят от геометрии упаковок волокон. Так, для круглых волокон в зависимости от схемы их упаковки (см.

201

2.8 Формообразование намоткой

рис. 2.51) предельные значения ν_B^опт = 0,907 (гексагональная укладка), ν_B^опт = 0,785 (тетрагональная укладка). Другое огра­ничение связано с выбором минимального значения толщины δ_min прослойки связующего между волокнами, которое при­ближенно оценивают следующим образом:

δ_min> d_в/ (ε_св/ε_в – 1)

где ε_св,ε_в— относительные деформации волокна и связующего соответственно.

Рис. 2.51. Качественная зависимость прочности ПКМ от коэффици­ента армирования:

1 — теоретический предел прочности ПКМ; 2 - практический предел прочности ПКМ

Объемное содержание волокон в ПКМ всегда меньше мас­сового содержания вследствие наличия пор и воздушных вклю­чений в материале. Соотношение между объемным и массовым содержанием волокон определяется выражением

ν_B^об = ν_B^мас/ (ν_B^мас +(1 - ν_B^мас)ρ_св/ ρ_в)

где ρ_св, ρ_в — плотности связующего и волокна соответственно.

202

1. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Очевидно, что соотношение между объемным и массовым содержанием в системе наполнитель—связующее в основном определяется технологией изготовления. И в первую очередь оно зависит от следующих факторов: натяжения армирующего наполнителя, его вида; вязкости и температуры связующего и температуры разогрева препрега; скорости намотки.

При способе "мокрой" намотки все эти параметры необ­ходимо контролировать в ходе технологического процесса из­готовления изделия. При способе "сухой" намотки процессы получения намоточного материала и изготовления силовой оболочки разделены, и параметрами, подлежащими обязатель­ному контролю, являются технологическое натяжение ленты, скорость намотки и температура разогрева препрега. В этом случае остальные параметры отслеживаются в процессе полу­чения ленты-препрега. Преимущества метода "сухой" намотки заключаются в возможности обеспечения качественного кон­троля и выдерживания оптимальных значений перечисленных выше технологических параметров при изготовлении намоточ­ного материала.

Натяжение армирующего наполнителя. Выбору технологи­ческого натяжения пряди нитей или ленты препрега при на­мотке уделяют большое значение.

1. Натяжение должно создавать нормальное давление на
оправку с целью уплотнения материала в процессе формования
изделия. Нормальное давление можно рассчитать, используя
формулу

Р_H = (q_л/t_лR).sin²β,

где q_л — растяжение ленты; t_л — ширина ленты; R — радиус оправки; β — угол намотки.

Зная давление, можно определить, достаточное ли оно для уплотнения материала, с одной стороны, и не вызовет ли оно прогиб оправки или ее разрушение, с другой.

2. Натяжение должно обеспечивать получение высоких ме­
ханических характеристик материала за счет одновременного
включения всех нитей (волокон) в работу. Наиболее значитель­
но натяжение нитей влияет на предел прочности однонаправ­
ленных КМ. Многочисленные эксперименты показывают, что

203

 

 

2.8. Формообразование намоткой

для однонаправленных стеклопластиков оптимальным является натяжение нити q_H = (0,05...0,15) q_раз для органопластиков q_H = (0,25...0,36) <7_раз, а для однонаправленных углепластиков q_H = (0,02...0,07) q_paз, где q_paз — разрушающая нагрузка на ленту.

3. Натяжение должно обеспечивать равномерное содержа­ние связующего в материале по толщине, особенно при намот­ке толстостенных изделий. В этом случае натяжение наполни­теля программируют так, чтобы натяжение сначала увеличи­лось, а затем уменьшилось при достижении заданной толщины стенки изделия.

4. Натяжение должно снижать начальный уровень несовер­шенства арматуры (искривления). Необходимое натяжение со­здается в намоточно-пропиточном (нитепроводном) тракте от шпулярника до наматываемого изделия. Нитепроводные трак­ты являются важнейшим элементом намоточного станка.

Основные принципы построения нитетрактов следующие: нитетракт должен быть (по возможности) коротким; конструкция элементов нитетракта должна обеспечивать

минимальное травмирование волокон и не способствовать их

пушению.

Для выполнения этих требований необходимо, чтобы ко­личество перегибов армирующего материала и касаний им элементов нитетракта было минимальным; нити перед пропит­кой были отделены одна от другой (рис. 2.52, а— г); радиусы перегибов составляли не менее 10... 15 мм; в местах касаний ленты деталей нитетракта не было защемлений.

Кроме того, нитетракт должен быть удобен при заправке арматурой и при обрыве нитей в процессе намотки; коэффи­циент усиления натяжения тракта должен быть близок к по­стоянному; все элементы нитепроводного тракта, контакти­рующие с арматурой, должны иметь полированную или хро­мированную поверхность и высокую стойкость к истиранию (эффективно применение керамики и фторопласта).

В схеме нитепроводного тракта нельзя четко выделить зону создания натяжения, так как все элементы и узлы тракта в той или иной степени влияют на уровень натяжения. Однако в тракте есть элементы, регулирующие уровень натяжения, ко­торые называют натяжителями. Некоторые схемы устройства натяжителей нитей, прядей нитей, лент показаны на рис. 2.53.

1. ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Все устройства имеют механические регуляторы натяжения — тормозные механизмы или нажимные грузики.

Механические натяжители обеспечивают разнонатянутость арматуры в пределах +0,2 кг.

Рис. 2.52.Схема формирования ленты перед протяжкой:

а — прямым стержнем; 6— изогнутым стержнем с прямыми плечиками;

в — кольцом; г — гребенкой; / — линия, параллельная оси оправки

Параметры процесса пропитки наполнителя. Как известно, для каждого вида армирующего волокнистого наполнителя суще­ствует оптимальное с точки зрения прочности формируемого ком­позиционного материала, процентное содержание его в единице объема. Для большей части применяемых при намотке наполни­телей оптимальное содержание составляет примерно 50...70%.

 

204

205

 

2.8. Формообразование намоткой

Рис. 2.53.Схемы устройств натяжения пряди нитей или ленты

Изменение этого технологического параметра неизбежно при­водит к снижению прочности материала. В свою очередь объ­емное содержание армирующих нитей в изделии зависит от многих параметров процесса получения намоточной ленты-вязкости полимерного связующего, скорости протягивания нитей через пропиточную ванну, количества и плотности упа-

1. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

ковки одновременно пропитываемых волокон, а также их спо-собности к смачиванию данным типом связующего.

Вязкость связующего на практике определяют с помощью простых вискозиметров типа ВЗ-4 и измеряют ее в секундах.  Согласно измерениям по ВЗ-4, вязкость — это время, за которое вытекает 100 мл связующего из конической воронки, имею­щей диаметр выходного сечения 4 мм. Чем меньше вязкость связующего во время соприкосновения с армирующими волок-Нами, тем лучше пропитка намоточного материала, тоньше его слой на каждом волокне и, следовательно, выше объемное содержание наполнителя в КМ и конечная прочность этого материала. С целью уменьшения вязкости связующего в него юбавляют растворитель типа ацетоноспиртовой смеси, родст-Венный высокомолекулярный полимер или дополнительно по­догревают его.

Следует заметить, что подогрев связующего во время про­питки нужно осуществлять кратковременно и до определенных и-мператур, так как это может привести к ускорению реакции полимеризации и к еще большему увеличению его вязкости. С целью уменьшения наноса связующего на протягиваемую через него ленту на выходе из пропиточной ванны устанавли­вают отжимные валки или острые скребки, снимающие излиш­ки связующего с верхней и нижней сторон намоточной ленты.

При способе "мокрой" намотки содержание наполнителя В композиционном материале может изменяться по толщине изделия: уменьшаться по мере удаления слоя от поверхности технологической оправки. Это происходит вследствие того, что сжимающие силы в материале, возникающие от технологичес­кого натяжения наматываемой ленты, суммируются пропорци­онально нарастанию толщины стенки изготавливаемого изде­лия, и жидкое связующее выдавливается, мигрируя от нижних слоев к верхним. Получившееся в результате этого процесса соотношение между содержанием наполнителя и связующего фиксируется при отверждении, что приводит к неодновремен­ности включения слоев в работу при нагружении эксплуатаци­онными силами.

При "сухом" способе намотки фиксация этого важнейшего технологического параметра происходит уже при подсушке на­моточной ленты в нагревательной камере, обеспечивающей

 

206

207

2.8. Формообразование намоткой

удаление растворителя и частичную полимеризацию терморе­активного связующего. Поэтому при такой технологии изго­товления изделий выдавливания связующего из нижних слоев в верхние почти не происходит.

В процессе непрерывной намотки изделий и производстве препрегов используют в основном два способа пропитки: про­питка окунанием арматуры в ванночку (рис. 2.54, а); пропитка на вращающемся барабане, так называемый "типографский" способ (рис. 2.54, б).

Рис. 2.54.Два способа пропитки наполнителя:

а - пропитка окунанием; б - пропитка на вращающемся барабане; / — нити, сматываемые со шпулярника; 2 — направляющие ролики; 3 — механизм подачи пропитанной ленты на оправку; 4 — устройство формирования ленты из пряди; 5— валики, регулирующие угол охвата лентой барабана; 6 - барабан

Вторая схема более предпочтительна, поскольку упрощает обслуживание и позволяет перейти на нагрев связующего не во всем объеме ванночки, а только в зоне пропитки, что существенно снижает температуру связующего в ванночке и резко увеличивает его жизнеспособность.

В соответствии с первым способом связующее нагревается во всем объеме ванночки, поэтому жизнеспособность связую­щего, например ЭДТ-10, не превышает двух часов. Большим недостатком этого способа является необходимость введения системы термостатирования связующего, регулирования и за­качки теплоносителя (глицерина, масла, воды) с обеспечением герметичности. Нарушение герметичности приводит к попада­нию теплоносителя в связующее и необратимому браку изде­лий.

208

1. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

При пропитке окунанием перемешивание связующего в ii.ii точке происходит за счет движения ленты, при барабанной пропитке — вследствие вращения барабана, что повышает ин-тенсивность перемешивания, выравнивает температуру связую-щего и улучшает качество пропитки. Тем не менее оба метода

не позволяют существенно повысить жизнеспособность связу­ющего.

Этого недостатка лишен радиационный метод нагрева пенты и связующего в зоне пропитки при барабанном способе. Простым подбором расстояния от инфракрасного нагревателя до зоны пропитки обеспечивается нужная температура в этой юне. За счет того, что нагреву подвергается локальный участок, шачительно снижается потребляемая мощность. Однако и этот Способ имеет два недостатка: трудность организации контроля и регулирования температуры связующего в зоне нагрева и пропитки; зависимость качества прогрева от скорости движе­ния ленты (пропитки).

Однако резкое уменьшение температуры связующего во всем объеме ванночки, увеличение живучести и, как следствие, времени межоперационных промывок нитетракта, а также сни­жение требований по температуре к доливаемому связующему в процессе его расходования делают этот способ наиболее перспективным.

Переработка связующего при повышенных температурах, приводящая к сгусткообразованию и преждевременному час­тичному отверждению связующего, выражающемуся в быстром нарастании вязкости, предъявляет определенные требования к ванночкам. Это, прежде всего, отсутствие застойных зон, где массообмен затруднен и "старое" связующее может стать цент­ром нарастания вязкости во всем объеме.

209

Для непрерывного процесса намотки необходимо, чтобы ванночки были быстросъемными, причем в комплекте ните­тракта их должно быть не менее двух. Ванночка и узлы, ос­тающиеся на тракте, должны быть скомпонованы таким обра­зом, чтобы все участки были доступны к промывке раствори­телями. Особенно это относится ко всякого рода втулкам, подшипникам, пробкам и узлам трения, в которые не исклю­чено попадание связующего. Выполнение конструктором этих

14-243

2.8. Формообразование намоткой

2. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

 

 

14*

условий существенно облегчит эксплуатацию оборудования и повысит надежность процесса намотки.

---

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 2813; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!