CC BY
130
Физика
УДК 539.3:621.315.612.62
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКЛОПЛАСТИКА, ПОЛУЧЕННОГО С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛИЭФИРНОЙ СМОЛЫ ПО МЕТОДУ ВАКУУМНОЙ ИНФУЗИИ
К.С. Габриельс, О.А. Караева, А.М. Кудрин, Е.В. Кулакова
Для разработки технологического процесса получения пластины стеклопластика методом вакуумной инфузии проведен ряд пусконаладочных работ инфузионной установки Civac XE-R510-S-CP и полиэфирной инжекционной машины CIJECT ONE-POLYESTER. Получена пластина на основе стекломатериала и полиэфирной смолы, проведен ряд физико-механических испытаний для контроля качества полученного изделия. В результате проведенной работы получены данные, на основании которых можно сделать вывод о высоком качестве исходных материалов и правильно подобранных параметрах разработанного технологического процесса
Ключевые слова: безавтоклавная технология, вакуумная инфузия, стеклопластик, физико-механические свойства, растяжение, сжатие
Введение
В современном мире использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) во многом определяет высокий уровень качества и надежности изготавливаемых изделий. Это связано с весовой эффективностью, хорошими технологическими и эксплуатационными свойствами используемых композиционных материалов.
В различных отраслях промышленности при производстве изделий из ПКМ используются методы и технологии, различающиеся между собой по степени сложности, трудоемкости и используемому оборудованию. Выбор технологии обусловлен требованиями, предъявляемыми к используемому материалу и конечному изделию.
Долгое время самой распространенной технологией производства сложных изделий из ПКМ была препреговая технология. Производство композиционных материалов по этой технологии состоит из двух этапов: этапа получения полуфабриката (препрега) и этапа выкладки и формования готового изделия в автоклаве [1].
Автоклавный метод формования изделия обеспечивает высокий уровень физико-механических свойств и низкую пористость
Габриельс Константин Сергеевич - НВЛ «Композиционные материалы» ВГТУ, инженер-исследователь, e-mail: [email protected]
Караева Оля Анатольевна - НВЛ «Композиционные материалы» ВГТУ, мл. науч. сотрудник, e-mail: [email protected]
Кудрин Алексей Михайлович - НВЛ «Композиционные материалы» ВГТУ, заведующий лабораторией, e-mail: [email protected]
Кулакова Елена Владимировна - НВЛ «Композиционные материалы» ВГТУ, инженер-исследователь, e-mail: [email protected]
получаемой продукции. В то же время изготовление изделий по препреговой технологии имеет ряд недостатков: высокая стоимость используемых материалов, высокая трудоемкость, малый срок хранения препрегов и значительные энергозатраты.
С развитием производства ПКМ появилось множество технологий, не требующих использования метода автоклавного формования изделия, и позволяющих уйти от недостатков препреговой технологии. Эти технологии образовали класс безавтоклавных методов формования изделия.
Одним из наиболее перспективных безавтоклавных методов формования является метод вакуумной инфузии, позволяющий совместить операцию пропитки сухого наполнителя полимерным связующим и формование детали в одном технологическом цикле, что значительно сокращает время изготовления детали и трудоемкость всего процесса. Вакуумная ин-фузия - это процесс пропитки армирующих материалов связующим с помощью разрежения, возникающего из-за разницы давлений между окружающей средой и загерметизированной формой. Использование такого технологического решения позволяет получать изделия сложной геометрической формы с заданными параметрами, не требующие дополнительной механической обработки, без использования сложного, дорогостоящего и энергозатратного оборудования.
Целью данной работы был запуск оборудования для получения ПКМ методом вакуумной инфузии, а также разработка технологического процесса получения пластины на основе стекломатериала и полиэфирной смолы с последующим контролем физико-механических свойств.
Пусконаладочные работы
Для проведения научно-
исследовательских работ в направлении безавтоклавных технологий были приобретены ин-фузионная установка Civac XE-R510-S-CP и полиэфирная инжекционная машина CIJECT ONE-POLYESTER.
Инжекционная машина CIJECT ONE-POLYESTER предназначена для смешивания, нагнетания и распределения термоотвержда-ющейся смолы и системы катализаторов, которые можно закачивать под давлением как в открытую, так и в закрытую составную оснастку.
Пусконаладочные работы инжекционной машины CIJECT ONE-POLYESTER проведены согласно инструкции по вводу в эксплуатацию и включили в себя монтаж оборудования, подключение к сети электроснабжения и магистрали сжатого воздуха, установку емкостей с основными исходными компонентами (полиэфирная смола, отвердитель) и вспомогательными (жидкость для промывки смесительной головки). На этапе отработки тестового режима произведен запуск контроллера управления и заданы необходимые параметры инжекции. Подачу связующего производили в открытую мерную емкость с целью последующего визуального контроля связующего на наличие непрореагировавших компонентов. Выявлено, что реакция полимеризации проходила в полном объеме, не обнаружено включений в виде пор воздуха и отдельных фаз смолы или отвердителя, что свидетельствует о корректной работе механических и электронных компонентов оборудования.
Следующим этапом стало проведение пуско-наладочных работ инфузионной установки Civac XE-R510-S-CP в соответствии с техническим регламентом. Был выполнен монтаж оборудования и подключение его к сети электроснабжения, произведен тестовый запуск машины с целью проверки производительности насоса и герметичности таких вакуумных соединений, как вакуумная ловушка, соединительные трубки и коннекторы.
Результаты проведенных пусконаладоч-ных работ инфузионной машины Civac XE-R510-S-CP и инжекционной машины CIJECT ONE-POLYESTER соответствуют заявленным параметрам технических инструкций производителей.
Методика эксперимента
Для получения плоскопараллельной пластины прямоугольной формы на основе поли-
эфирного связующего и стекломата по технологии вакуумной инфузии разработан технологический процесс. По разработанному процессу выполнена сборка технологического пакета, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Схема сборки технологического пакета
Перед сборкой пакета произведена обработка оснастки 2 антиадгезивом. В соответствии со схемой выкладки поверх оснастки выложены слои: жертвенной ткани 6, трехслойного рубленного стекломата 5 плотностью 300/180/300 г/м2 и дренажной сетки 7. По периметру оснастки размещен герметизирующий жгут 3, к которому был прикреплен вакуумный мешок 8. Собранный пакет подключен к емкости с полиэфирным связующим 1 через трубку подачи смеси 11 и запитывающий штуцер 9 и к инфузионной машине Civac XE-R510-S-CP 13, создающей необходимое разряжение в загерметизированной форме через линию откачки вакуума 12, штуцер вакуумной линии 10 и спиральную трубку 4.
Для проведения процесса инфузии использовано полиэфирное связующее объемом 1 л. Процесс проходил при комнатной температуре 23 °С в течение 10 минут, давление в системе поддерживалось на уровне 135 мбар с погрешностью 1 мбар. По истечении заданного времени подача связующего была прекращена, а технологический пакет с пропитанным материалом выдержан под давлением до полной полимеризации связующего (24 ч).
По истечении времени выдержки произведена распаковка технологического пакета и извлечена готовая пластина. Для контроля качества параметров готового изделия необходимо провести физико-механические испытания. С этой целью полученная пластина порезана на элементарные образцы прямоугольной формы в соответствии со стандартами испытаний.
Испытания на растяжение проведены по стандарту ASTM D 3039 «Test Method for Tensile Properties of Fiber-Resin Composites» на оборудовании Instron 5985 при температуре 22 °С [2].
Испытания на сжатие проведены по стандарту ASTM D 6641 «Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials Usinga Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture» на оборудовании Instron 5982 при температуре 22 °С с использованием оснастки, изготовленной по ASTM D 6641 [3].
Перед каждым испытанием проведены измерения толщины и ширины рабочей части образца в трех местах: по краям и в середине. По средним значениям толщины и ширины с точностью до двух значащих цифр после запятой рассчитана площадь поперечного сечения образца.
Испытание образца на сжатие произведено на испытательной машине с использованием специализированной оснастки.
Образец на растяжение установлен в захватах испытательной машины так, чтобы его продольные оси совпали с прямой, соединяющей точки крепления захватов в испытательной машине.
На образцы производилась подача нагрузки равномерно со скоростью согласно стандартам ASTM D 3039 и ASTM D 6641 до полного разрушения. Зафиксирована максимальная нагрузка FMaKC, предшествующая разрушению образца.
Результаты и обсуждение
Результаты испытаний на растяжение представлены на рис. 2.
По полученным результатам проведен расчет характеристик предела прочности ов и модуля упругости Е при растяжении.
Значение предела прочности ов при растяжении вычислили по формуле (1):
F
_ max /1 \
где Fmax - максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца;
s - площадь поперечного сечения рабочей части образца.
Среднее значение предела прочности партии образцов составило 83,53 МПа.
Значение модуля упругости Е при растяжении было определено графически и составило 21,54 МПа.
Относительное удлинение s вычислили по формуле (2):
е = — -100%, (2)
I
10
где А/ - абсолютное удлинение образца при разрушении;
10 - начальная расчетная длина образца. Значение относительного удлинения образца составило 2,7%.
о, МПа
Рис. 2. Диаграмма растяжения образца ПКМ по стандарту ASTM D 3039
Результаты испытаний на сжатие представлены на рис. 3.
я, МПа
(I £,%
() 5 10 15 2(1
Рис. 3. Диаграмма сжатия образца ПКМ по стандарту ASTM D 6641
По полученным результатам проведен расчет предела прочности ов при сжатии. Среднее значение предела прочности ов партии образцов составило 87,6 МПа.
В процессе проведения испытаний на растяжение и сжатие разрушение образцов происходило в пределах рабочей зоны, что свидетельствует о соблюдении условий подготовки образцов и проведения испытаний.
По результатам проведенных испытаний сделан вывод о высоком качестве исходных материалов и правильно подобранных параметрах разработанного технологического процесса.
Заключение
В соответствии с инструкцией по эксплуатации был проведен ряд пусконаладочных работ инфузионной установки Civac XE-R510-8-СР и полиэфирной инжекционной машины
CIJECT ONE-POLYESTER. Полученные результаты соответствуют заявленным параметрам технических инструкций производителей.
Разработан технологический режим, в соответствии с которым получена пластина на основе рубленого стекломатериала и полиэфирной смолы методом вакуумной инфузии. По стандартам ASTM D6641 и ASTM D3039 проведены физико-механические испытания образцов стеклопластика с целью контроля параметров полученного изделия.
По результатам анализа данных механических испытаний полученного образца сделан вывод о высоком качестве исходного сырья и удачном подборе технологических параметров разработанного процесса получения изделия.
Информация о механических показателях предела прочности при сжатии и растяжении стеклопластика может быть полезна при по-
следующей разработке технологического процесса по получению изделий сложной формы с другими видами полимерных связующих и армирующих материалов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки в рамках госзадания на НИР на 2015 г.
Литература
1. Афанасьев, Д.В. Безавтоклавные технологии [Текст] / Д.В. Афанасьев, М.Ю. Ощепков // Композитный мир. - 2010. - С. 28-37.
2. ASTM D3039. Test Method for Tensile Properties of Fiber-Resin Composites: standard.
3. ASTM D 6641 - 01. Test method for determining the compressive properties of polymer matrix composite laminates using a combined loading compression (CLC) test fixture: standard.
НВЛ «Композиционные материалы» Воронежского государственного технического университета
PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF FIBERGLASSPRODUCED WITH POLYESTER RESIN BY VACUUM INFUSION
K.S. Gabriels, O.A. Karaeva, A.M. Kudrin, E.V. Kulakova
To develop the technological process of fiberglass plate by vacuum infusion the commissioning and start-upworks with Civac XE-R510-S-CP infusion and CIJECT ONE-POLYESTER injection machines have been carried. A work-plate based on a polyester resin and glass-fiber mat have been obtained, a number of physical and mechanical tests to monitor the quality of the product has been passed. A result, some data has been provided revealing the high quality raw materials and proper fitting the parameters of the process
Key words: autoclave-free technology, vacuum infusion, fiberglass, physical and mechanical properties, tensile and compressive properties
