CC BY
5
УДК 691.175
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-8-405-406
ПРОИЗВОДСТВО КОМПОЗИТНЫХ ПРОФИЛЕЙ МЕТОДОМ ПУЛТРУЗИИ СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЛТРУЗИОННОГО МАТЕРИАЛА
Т.Х. Шайдуллин, М.Г. Фетисов, Ю.С. Шулепин, Г.А. Маркаров
В статье рассмотрены основные принципы получения пултрузионного материала, этапы производства для получения профиля из пултрузионного материала и сравнение его характеристик с другими активно используемыми материалами в производстве.
Ключевые слова: пултрузия, композитный материал, производство, фильера, стеклопластик.
1. Введение. Изделия из композитных материалов имеют большое производственное значение в таких сферах как оптическое приборостроение, радиотехническая отрасль, ракето- и авиастроение и во многих других проектах высокой сложности. Данная продукция активно используется на потребительском рынке. В настоящее время широко нашел свое применение метод получения композитного профиля с помощью такой технологии изготовления как пултрузия. Пултрузия - высокопроизводительный технологический процесс непрерывного изготовления композитных профилей постоянного сечения на основе волокнистого наполнителя и полимерного связующего, включающий в себя пропитку наполнителя связующим, полимеризацию в фильере и нарезку на мерные отрезки полученного профиля [1].
2. Общее представление. Пултрузия получила своё название от английских слов «pull» — тянуть и «through» — сквозь/через. [2]. Если рассматривать данный метод с экструзией, где главной движущей нагрузкой служит давление, то в случае с пултрузией данной нагрузкой является тянущее воздействие, которое протягивает готовый материал через нагретую до температуры полимеризации форму (фильеру). Данная форма придает изделию ее конечную форму сечения. Процесс пултрузии активно используется для изготовления конструкционных профилей, которые обладают такими свойствами как легкость, низкая проводящая способность и способность противостоять коррозии и могут заменять металлические конструкции в необходимых для этого местах.
Метод дает возможность изготовить все применяемые в строительстве виды сечений и линейные размеры пултрузионного профиля, как полнотелые, так и пустотелые, аналогичные металлическим изделиям: квадрат, прямоугольник, круг - труба, балка - тавр, двутавр, швеллер, П, Т, F, Ш, S - образный профиль, уголок, стержень, полоса.
Метод «пултрузии» включает в себя постоянную подачу материала, вследствие чего является непрерывным процессом производства с возможностью изготовления профиля любой длины, которая ограничивается потребностями заказчика и возможностями транспортировки. Методика изготовления, как и методика изготовления других композитных изделий, включает в себя 2 различных компонента, которые являются составляющими при производстве, это:
Армирующий элемент. Наиболее распространенными в настоящее время являются стекловолокно, углеродное или базальтовое волокно.
Матрица. В качестве нее выступают полиэфирные, виниловые и эпоксидные смолы, а также термопластичные
полимеры.
3. Технология производства
3.1 Основы технологического процесса
Весь пултрузионный процесс можно разложить на составные этапы производства:
пропитка волокна связующим;
придание первоначальной формы;
отверждение и механическая обработка;
протягивание;
разрезание.
Множество вариантов основного пултрузионного процесса влечет за собой бесконечное количество способов и возможных комбинаций сборки линии. Основное число производственных линий представляют собой горизонтальный способ производства, в процессе которого возникают колебания концентричности при изготовлении полых профилей. Данную проблему решает вертикальная компоновка. Технологический процесс может быть периодическим (с остановками в протягивании) и непрерывным.
Периодичность процесса заключается в остановках тянущего устройства, в течении которых происходит отверждение изделия. Данная особенность делает процесс достаточно медленным и подходящим в основном для одиночных изделий, например, элементы электронных устройств, для которых существенной характеристикой является качество поверхности.
Большинство пултрузионных деталей, имеющихся на рынке, имеют поперечное сечение меньше, чем 3 дюйма (7,62 см) [3]. В зависимости от способа обработки пултрузионные машины классифицируется на: пневматические машины (включают гусеничный привод); гидравлические агрегаты (имеют в конструкции гидравлический насос).
В отличие от периодических непрерывные пултрузионные установки имеют высокие скорости линейного производства, которые могут достигать 7,6 м/мин в зависимости от материала и размеров профиля [4]. Сортамент производимых изделий:
изготовление профилей для створок, дверей и оконных рам;
производство фасонных профилей;
производство труб различного предназначения;
производство сложных профилей
производство удочек и спиннингов;
производство шпунтов;
производство лопастей;
Первые оборудования для производства пултрузионных профилей имели скорость линейного производства порядка 1 м/мин [51. С развитием технологии данное ограничение изменилось благодаря разработке специально ориентированных «пултрузионных» смол и отвердителей, оптимизированных для пултрузионного процесса. 3.2 Технологический цикл Модель пултрузионной установки состоит из: устройство подачи армирующего элемента; полимерная ванна; преформовочное устройство; нагретая пресс-форма (фильера);
синхронизирующая тянущая машина тракового или шагового типа; отрезное устройство.
Тип технологического процесса производства пултрузионных профилей - циклический, в нем каждая операция непрерывно сменяется следующей.
Ткани, маты, ленты, ровинги подаются с катушки стенда, далее проходят через натяжной валик, пропитываются в полимерной ванне. В дальнейшем заготовке придается нужная форма и однородность толщины в пре-формовочном устройстве, после чего она передается в предварительно нагретую пресс-форму. Фильера, с помощью специальной автоматической системы нагревательных элементов, включающая в себя как минимум 5 точек нагрева, разогревается до определенной температуры полимеризации матрицы. Во время пултрузии, как и при процессе экструзии, возникают эффекты саморазогрева (экзотермическая реакция в полимере). Для предотвращения коагуляции полимера на входе в фильеру, ее температуру поддерживают с помощью автоматической системы охлаждения холодной водой. Конечным этапом готовый композитный профиль поступает на отрезное устройство, где с помощью пилы задается необходимая длина изделия.
На выходе изделие охлаждено и не требует дополнительной обработки. В некоторых случаях используют отрезную машину для раскроя готового изделия на определенные детали/части [6].
Пропитка волокон связующим является одним из самых важных физических процессов, происходящих во время пултрузии [1]. Традиционный пултрузионный метод имеет несколько недостатков. Первый недостаток заключается в том, что довольно сложно получить необходимое качество сцепления между волокнами и полимерным связующим. Связующее плохо смачивает волокно при очень высоких или наоборот низких значениях вязкости. Второй недостаток заключается в выделении вредных веществ в окружающую среду. Это связано с «открытостью» процесса.
Данные недостатки могут быть решены с помощью так называемой «инжекционной пултрузии». В процессе термореактивное связующее подается под давлением в волокно в фильере. Процесс смачивания улучшается благодаря повышенному избыточному давлению в инжекционной фильере.
Отдельная роль в пултрузионном процессе уделяется расчетам параметров скорости вытяжки материала, величины температуры фильеры, количества подаваемого волокна и полимерной матрицы, температура материала при входе в фильеру, геометрические размеры выпускаемого изделия, теплофизические свойства компонентов, реакционные характеристики связующих. При правильном соблюдении данных значений в конечном итоге получают высокопрочное и износостойкое изделие с целостной структурой.
На рисунке 1 представлена схема производственной линии от завода композитных материалов группы компаний «Армпласт» [5].
1
Рис. 1. Схема производственной линии: 1 - стенд для стекловолокна; 2 - устройство сушки ровинга; 3 - ванна пропитки ровинга; 4 - устройство принудительного формирования формы; 5 - фильера с несколькими зонами прогрева; 6 - пульт управления; 7 - тянущее устройство тракового или шагового типа; 8 - отрезное устройство; 9 - конвейерная система для подачи профилей после распиливания
На рисунке 2 представлена схема производственной линии получения пултрузионного профиля [11.
Технологические процессы производства выполняются в точной синхронизации друг с другом с полным контролем температурного режима операций, продолжительности протяжки материала, количества подаваемого волокна и ее совместимость с полимером. Значения данных факторов напрямую зависят от вида и типа изделия, а также исходного сырья.
4. Сравнительные характеристики. В настоящее время активно используются такие традиционные материалы как дерево, сталь, алюминий, медные и титановые сплавы.
Одним из наиболее распространенных композитных материалов является армированный стеклопластик. Его основные преимущества заключаются в низкой теплопроводности, высокой прочности, возможности работы в агрессивных средах и широком диапазоне температур. Низкий удельный вес стеклопластика дает большое преимущество перед металлами (в 4 раза легче стали) [6, 7]. В таблице 1 приведены основные преимущества конструкций из стеклопластика по сравнению с конструкциями из металла по различным производственным и технологическим факторам [8].
Таблица 1
Сравнение металлических и стеклопластиковых конструкций_
Фактор Конструкции из металла Конструкции из стеклопластика
Безопасность Скользкая поверхность являются главной причиной травматизма на производстве Количество несчастных случаев значительно снижено благодаря противоскользящим поверхностям из пластикового настила
Монтаж конструкции Большой вес металлических конструкций ведет к необходимости использования мощного грузоподъемного оборудования при их установке. Необходимы затраты на сварку, окраску, резку и обработку конструкций Конструкции из композитных материалов не требуют мощного грузоподъемного оборудования при установке. Окраска и обработка конструкции не требуются.
Обслуживание конструкции Необходимость постоянного обслуживания и низкий срок эксплуатации конструкции при работе в агрессивных средах Стеклопластиковые конструкции не требуют интенсивного обслуживания и имеют длительный срок эксплуатации.
В сравнении со сталью композитный профиль обладает невосприимчивостью к коррозии. При работе в агрессивных средах и плохих погодных условиях он не ржавеет. Стеклопластик обладает электрической непроницаемостью, имеет хорошую прочность к ударным воздействиям. В продольном сечении стеклопластик прочнее некоторых видов стали. Также композитный материал имеет ряд преимуществ по сравнению с древесиной: он не деформируется, не гниёт и не распадается под действием влаги. В отличие от алюминиевых материалов композитные профили не подвергаются коррозии и не проводят электрический ток, а также не требуют сварочных и покрасочных операций. Алюминий обладает высокой теплопроводностью, что исключается в стеклопластиковых конструкциях.
В таблице 2 приведены сравнительные характеристики различных материалов с композитным профилем, полученного методом пултрузии.
Таблица 2
Таблица сравнения характеристик пултрузионного композитного профиля с различными материалами
Характ-ка Композитный профиль Низкоуглеродистая сталь Нержавеющая сталь Алюминий
Коррозия Выдерживают работу в агрессивных средах и не зависит от влажности окружающей среды Подвержены коррозии. Необходимо гальваническое покрытие или покраска Склонность некоторых типов к образованию межкристал-литной коррозии Возможна гальваническая коррозия
Прочность Имеет больший передел прочности на изгиб, в продольном сечении; прочнее некоторых типов стали Гомогенный материал Гомогенный материал Гомогенный материал
Вес В 4 раза легче стали и на 30% легче алюминия Возможна необходимость использования подъемного оборудования для транспортировки и монтажа Возможна необходимость использования подъемного оборудования для транспортировки и монтажа В 3 раза легче стали
Электропроводимость Высокий диэлектрический потенциал Высокая проводимость Высокая проводимость Высокая проводимость
Термические свойства Высокая термическая сопротивляемость Высокая теплопроводность Высокая теплопроводность Высокая теплопроводность
Ударопрочность Не имеет постоянной деформации под воздействием Возможна постоянная деформация под воздействием Возможна постоянная деформация под воздействием Легко деформируемый материал
Электромагнитная или радиочастотная проницаемость (EMI/RFI) Проницаемо относительно радио волн и EMI/RFI передач Возможна проницаемость для EMI/RFI передач Возможна проницаемость для EMI/RFI передач Возможна проницаемость для EMI/RFI передач
Изготовление конструкций Доступное изготовление с помощью простых строительных инструментов Часто требует сварки и резки Низкая свариваемость Высокая степень свариваемости и механического соединения
В таблице 3 приведено сравнение физических характеристик различных материалов по сравнению с композитным профилем.
Таблица 3
Сравнение физических характеристик композитного профиля с другими материалами_
Характеристика Композитный профиль Сталь Алюминий ПВХ
Плотность, 1,6 ... 1,9 7,7 ... 7,9 2,7 1,3 .1,43
Модуль упругости, ГПа 17 ... 55 210 70 2 .2,7
Предел прочности при растяжении, МПа 170 ... 1700 240 ...450 100 .360 40 .50
Коэффициент линейного термического расшире-10-6 ния,- 0,5 ... 8 11,9 .15 19,6 .26,9 50
Теплопроводность, — 0,58 17,5 .58 201,3 .221 0,13 .1,63
В качестве примера в таблице 4 приведены возможные границы температуры агрессивных сред, используемые в процессе производства и эксплуатации изделий из стеклопластика. Превышение данных температурных значений вызывает значительные изменения в структуре контактируемых с ними стеклопластиковых поверхностей.
Таблица 4
Стойкость стеклопластиковых материалов к агрессивным средам_
Наименование Концентрация, % Температура эксплуатации, С
Соляная кислота Не ограничего 40 ... 110 в зависимости от концентрации
Серная кислота до 75 40 ... 105 в зависимости от концентрации
Азотная кислота до 35 25 ... 65 в зависимости от концентрации
Уксусная кислота до 60 до 80
Фосфорная кислота Не ограничено до 100
Гипохлорит натрия до 18% до 80
Едкий натр Не ограничено до 80
Едкий калий до 45 до 65
Хлорное железо Не ограничено до 100
Полиоксихлорид алюминия Не ограничено до 100
Пултрузионные стеклопластиковые профили имеют разнообразный спектр применения в производстве: изготовление окон и витражей, платформы, пандусы, кабеленесущие системы, облицовки, ограждающие и несущие конструкции, арматура электротехнического профиля, армирование бетона, элементы крепежных дюбелей.
3. Заключение. В настоящий момент все большую популярность набирает технология изготовления профилей методом «пултрузии» и имеет высокую перспективу дальнейшего развития. Система производства помогает достичь высоких показателей качества изделия даже при изготовлении сложных профилей, не затрачивая при этом больших денежных и трудовых ресурсов. Наиболее часто пултрузия используется в производстве профилей из ба-зальто-, угле и стеклопластиковых материалов.
Список литературы
1. Щеглов Б.А., Сафонов А.А. Теоретические основы и прикладные задачи технологии композитов. М.: Ленанд, 2015. 112 с.
2. Пултрузия для профиля из стеклопластика. Технология и материалы [Электронный ресурс] URL: https://igc-market.ru/baza-znaniy/tekhnologii/pultruziya-tekhnologiya-i-materialy (дата обращения: 10.05.2024).
3. Пултрузия [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Пултрузия (дата обращения: 10.05.2024).
4. Кербер М.Л. Полимерные композиционные материалы. Санкт-Петербург: Профессия, 2008. 560 с.
5. Оборудование для производства композитных профилей [Электронный ресурс] URL: https://arm-plast.ru/liniya-po-proizvodstvu-kompozitnoy-armatyri/line-proizvodstvo-kompozit-profil.html (дата обращения: 10.05.2024).
6. Производство композитных (стеклопластиковых) профилей [Электронный ресурс] URL: https://zeplast.by/proizvodstvo-izdelij-iz-kompozitnyh-materialov-n (дата обращения: 10.05.2024).
7. Пултрузия [Электронный ресурс] URL: https://composite.ru/tehnologii/pultruziya (дата обращения: 10.05.2024).
8. Сравнение композитного профиля [Электронный ресурс] URL: https://arm-plast.ru/czenyi/kompozitnyij-profil/sravnenie. html (дата обращения: 10.05.2024).
Шайдуллин ТимурХалилович, специалист, оператор, [email protected], Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»,
Фетисов Максим Григорьевич, специалист, старший оператор, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»,
Шулепин Юрий Сергеевич, специалист, старший оператор, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»,
Маркаров Григорий Аванесович, магистр, оператор, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»
PRODUCTION OF COMPOSITE PROFILES USING PULTRUSIONMETHOD. COMPARATIVE CHARACTERISTICS OF
PULTRUZED MATERIAL.
T.Kh. Shaidullin, M.G. Fetisov, Y.S. Shulepin, G.A. Markarov 408
The article discusses the basic principles of obtaining pultruded material, the production stages for obtaining a profile from pultruded material and a comparison of its characteristics with other actively used materials in production. Key words: pultrusion, composite material, production, filament extrusion device, fiberglass.
Shaidullin Timur Khalilovich, specialist, operator, era [email protected], Russia, Anapa, FGAU «MIT«ERA»,
Fetisov Maksim Grigorievich, specialist, senior operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Shulepin Yuri Sergeevich, specialist, senior operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»,
Markarov Grigoriy Avanesovich, magistr, operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
УДК 504.054
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-8-409-410
УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА
А.А. Чуканов, М.Д. Лутфулин, И.Е. Игнатенко, М.Г. Фетисов
В статье рассмотрены различные виды отходов производства и их воздействие на окружающую среду. На конкретных примерах разобрано возникновение отходов, способы борьбы с ними и виды очистки, переработки или уничтожения.
Ключевые слова: отходы производства, окружающая среда, влияние отходов производства на окружающую среду, утилизация отходов производства, экология.
1. Введение. С ростом и необходимостью в потребления продукции, производимой предприятиями, увеличивается и необходимость роста её количества и объема, а с ним так или иначе встает вопрос о нереализованном товаре, неиспользованном или отработанном сырье, места которым в процессах производства не находится.
Данная статья написана с целью обращения внимания на проблему загрязнения окружающей среды отходами производства, а также их влияния на экологию в целом. В ней рассмотрены типы, характеристики и причины образования отходов, их вредоносное воздействие на экосистему, а также на примерах нескольких отраслей производств представлены способы решения проблемы утилизации и устранения негативной стороны промышленного роста.
2. Виды и характеристики отходов производства. Чтобы дать точное определение обратимся к федеральному закону от 24.06.1998 N 89-ФЗ [1], согласно которому отходом производства является вещество или предмет, образовавшийся в процессе производства или в процессе потребления, предназначенные для удаления в соответствии с настоящим Федеральным законам. Исключения в этом плане составляют внешние и вмещающие горные породы, донный грунт, подлежащие использованию в соответствии с Законом Российской Федерации от 21 февраля 1992 года N 2395-[ "О недрах" [2].
В зависимости от своего физического состояния отходы производства делятся на жидкие и твердые. Также отходы делятся на группы в зависимости от причины их возникновения.
Промышленные - это отходы, образованные в результате работы промышленных производств, такие как металлы, кислоты, щелочи. Примечательно, что в структуре себестоимости продукции легкой промышленности удельный вес сырья и материалов занимает 80-85% [3], следовательно, вопрос образования отходов в таких производствах стоит особенно остро. В качестве примера можно привести машиностроение, для производств которого характерно образование металлической стружки в больших объемах при контакте режущего инструмента с поверхностью заготовки.
Биологические - это отходы, образованные в процессе работы сельскохозяйственных производств, такие как останки животных, птиц и растений. К ним также относится и, к примеру, нефтяная промышленность, по уровню загрязнения окружающей среды занимающая одно из первых мест среди отраслей народного хозяйства. Главной причиной является образование нефтешламовых отходов в области месторождений и на производственных площадках по переработке нефти. Нефтешламы это сложные элементы, в состав которых входят нефтепродукты, песок, глина, ил и другие, соотношение которых колеблется в очень широких пределах. Наибольший негативный эффект из них имеют минеральные соли, нефть и нефтепродукты.
Бытовые - это отходы, образованные в результате повседневной жизнедеятельности, такие как бумага, ткань, остатки пищевой продукции. Не каждый элемент данной группы несет опасность напрямую, например, пищевые продукты, ввиду непродолжительного периода разложения (1-2 недели), для экосистемы не представляет проблем, однако они привлекают к себе внимание паразитов и бактерий, которые уже могут нанести ощутимый вред человеку. Подобным образом обстоят дела и с бумагой, сама по себе она разлагается достаточно быстро, без особой опасности для экосистемы, однако покрытие этой бумаги краской или воском значительно увеличивает время разложения, вплоть до трех лет с выделением токсичных паров. Бытовые отходы, несмотря на свою, на первый взгляд, безобидность, также наносят значительный вред окружающей среде [4]. Главным источником опасности в данной группе является пластмасса за счет своего периода распада, протекающего на протяжении нескольких десятилетий, не говоря уже о вредоносных парах, нарушающих естественные процессы в почве и воде [5].
Отдельной категорией выделяются радиоактивные отходы, содержащие в себе радиоактивные изотопы химических элементов. Эта категория отличается особой сложностью в хранении и переработке.
3. Способы утилизации металлической стружки для производств машиностроения. Для производств машиностроения в отношении переработки металлической стружки рассмотрим следующие несколько способов
409
