Роль антиадгезионных покрытий в технологическом процессе формования ПКМ

Сатдинов Р.А.; Вешкин Е.А.; Постнов В.И.; Абрамов П.А.

УДК 678.8

Р.А. Сатдинов1, Е.А. Вешкин1, В.И. Постное1, П.А. Абрамов1

РОЛЬ АНТИАДГЕЗИОННЫХ ПОКРЫТИЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ ФОРМОВАНИЯ ПКМ

DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-4-10-10

Рост объема производства деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) обуславливает развитие отрасли вспомогательных материалов для их изготовления. Смазки для создания антиадгезионных покрытий являются одними из важнейших среди них. В данной статье исследованы антиадгезионные смазки различных марок, применяющиеся для защиты формующей поверхности оснастки при изготовлении деталей из ПКМ. Проведена работа по оценке антиадгезионных покрытий по стойкости и переносу на изготавливаемые детали, а так же усилия съема детали и остатков связующего с оснастки. Выбрано покрытие для изготовления деталей с гелъкоутным слоем. Проведена работа по замеру краевого угла смачивания воды на поверхности антиадгезионных покрытий. Исследовано влияние антиадгезионных покрытий на основные свойства ПКМ.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») Д1 ].

Ключевые слова: препрег, стеклопластик, антиадгезионное покрытие, свойства, смазка, оснастка, краевой угол смачивания.

Growth of production volume of parts from polymeric composite materials (PCM) causes development of the industry of supporting materials for their manufacturing. Lubricants for creation of anti-adhesive coatings are among the most important of them. Anti-adhesive coatings of different types using for protection of molding surface of tooling when manufacturing parts from polymeric composition materials are studied in this article. Work is conducted on estimations of anti-adhesive coatings for stability and transferring ability on manufactured parts as well as efforts of the removal of parts and binding residue from tooling. Coating is chosen for manufacturing parts with a gel-coat layer. Work is conducted on measuring interfacial angle on the surface of anti-adhesive coatings. Influence of the anti-adhesive coatings on basic properties of polymeric composition materials is investigated

Work is executed within implementation ofthe complex scientific direction 13.2. «Structural PCM» («The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030») Д1].

Keywords: prepreg, fiberglass, anti-adhesive coating, properties, greasing, tooling, interfacial angle.

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]

Введение

Совершенствование материалов и технологий их переработки является основой эволюции авиационной техники [1]. Прогнозы развития мирового рынка гражданской авиации предполагают увеличение спроса на летательные аппараты [2, 3], однако ужесточаются требования, предъявляемые к ним. В процессе хранения и эксплуатации изделия подвергаются воздействию различных факторов - повышенных и пониженных

температур, повышенной влажности, солнечной радиации - в результате чего происходит изменение их свойств [4, 5]. В связи с этим конструкторами ведется постоянная работа по модернизации и созданию новых образцов летательных аппаратов. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) [6, 7] благодаря целому комплексу уникальных свойств, основные из которых - удельная прочность и жесткость, а также возможности изготовления интегральных конструкций, постепенно вытесняют металлы из конструкции летательных аппаратов. В настоящее время ПКМ заняли определенную нишу в производстве товаров народного потребления. Объем их производства из года в год увеличивается, что объясняется их сервисными свойствами. Однако для этого производства требуется большое количество вспомогательных материалов. Многообразие производителей вспомогательных материалов приводит к проблеме выбора того или иного материала. Одним из ключевых вспомогательных материалов являются антиадгезионные смазки.

Явление адгезии известно физикам давно [8]. Под этим термином подразумевают сцепление поверхностей разнородных предметов и веществ как твердых, так и жидких. В основе этого процесса, как было установлено ранее [9], лежит межмолекулярное взаимодействие. Так, в процессе склеивания, пайки, сварки, при нанесении покрытий возникает адгезионное взаимодействие между разными материалами, а при формовании изделий из ПКМ [10] на формообразующих оснастках необходимо обеспечить отделение детали от ее (оснастки) поверхности без больших усилий и повреждений [11]. Для уменьшения взаимодействия применяют антиадгезионные смазки, препятствующие сцеплению поверхностей.

Оптимальными считаются антиадгезионные смазки, которые обеспечивают отделение деталей из ПКМ, предотвращая повреждения их поверхности и оснастки, при этом имеют минимальный перенос агента на поверхность детали и обеспечивают многократный съем формуемых деталей. В результате производственные процессы становятся более технологичными и экономичными.

Материалы и методы

Действие разделительного покрытия в большой степени зависит от того, насколько хорошо подготовлена формующая поверхность оснастки. Использование для подготовки поверхности порозаполнителя (или грунта) обеспечивает высокое качество сцепления антиадгезионных агентов с поверхностью оснастки, благодаря чему становится возможным многократный съем готовых изделий.

Несмотря на разнообразие антиадгезионных составов, существует проблема выбора его марки для подготовки поверхности формообразующей оснастки из разных видов материалов [12]. В данной статье сравнивают три марки антиадгезионных покрытий, применяющихся для производства ПКМ, такие как Chemlease 41-90 (фирма Chem-Trend, США), Loctite 770 NC (фирма Frekote, Германия), Safelease #30 (фирма Airtech, Люксембург).

Цель данной работы - исследование свойств антиадгезионных смазок нескольких производителей и оценка их работоспособности при изготовлении образцов ПКМ.

Для испытаний на подготовленную поверхность оснастки из алюминиевого сплава Д 16ч.-AT с шероховатостью поверхности Ra<4, углепластика с R^<1,6, имеющего невысокую пористость (<1%), и углепластика Ra>12,5 (с зашкуренной поверхностью -для имитации поверхностной пористости оснастки из композита) были нанесены выбранные антиадгезионные покрытия. Антиадгезионные покрытия наносили при помощи салфетки в 4 слоя в перпендикулярном направлении относительно друг друга, с промежуточной сушкой на воздухе в течение 30 мин, затем проводили термообработку

в термошкафу при температуре 150±5°С в течение 1 ч. После термообработки поверхность полировали безворсовыми салфетками.

В процессе нанесения выявлены некоторые особенности антиадгезионных покрытий:

- СЬеш1еаве 41-90 - сворачивается в капли на поверхности оснастки, но при дальнейшей полировке образует ровный слой;

- Ьос1йе 770 КС - наносится на поверхность ровным слоем, располирование не требуется;

- БаГе1еаве #30 (фторопластовая эмульсия [13]) - очень быстро сохнет при 20°С, на поверхности оснастки образуется липкий слой с разводами, которые после полировки поверхности безворсовыми салфетками остаются в виде разнотонности покрытия.

Для оценки количества технологических съемов (после того как на поверхность оснасток нанесены антиадгезионные покрытия) на всех типах оснасток формовали заготовки, состоящие из трех слоев препрега. Заготовки были из двух видов препрега -на основе эпоксидного (стеклотекстолит СТ-69Н) [14] и фенолформальдегидного (стеклотекстолит СТ-520) связующих. Каждый вид препрега имеет свои технологические свойства [15]. Формование осуществляли прессовым методом при температуре 143±2°С и давлении 0,6 МПа в течение 30 мин.

По окончанию формования образца ПКМ оснастка с отвержденной заготовкой извлекалась из пресса и охлаждалась до 40°С на воздухе, после чего образец отделяли от поверхности оснастки и проводили оценку антиадгезионных свойств покрытий.

а) 6)

Рис. 1. Пример следа от маркера: а - не сворачивается; б - сворачивается

Оценку антиадгезионных свойств смазки проводили по следующим критериям:

- качественная оценка усилия отслаивания образца от поверхности оснастки;

- сворачиваемость следа от маркера на поверхностях оснастки (наличие покрытия) и отформованного образца (перенос покрытия на образец) - рис. 1;

- удалении остатков связующего с поверхности оснастки;

- измерению краевого угла смачивания воды к обработанной антиадгезионными покрытиями поверхности оснастки, который определяли методом растекающейся капли [16].

Результаты

Результаты формования заготовок из препрега стеклотекстолита марки СТ-69Н, на оснастке из алюминиевого сплава Д16ч.-АТ представлены на рис. 2.

После проведения испытаний с заготовками из препрега стеклопластика марки СТ-69Н поверхность оснастки из алюминиевого сплава Д16ч.-АТ зачищали при помо-

щи шлифовальной шкурки (№800), затем ее обезжиривали ацетоном и нефрасом. После нанесения антиадгезионного покрытия по вышеуказанной схеме проводили формование заготовок из препрега стеклопластика марки СТ-520. Полученные результаты приведены на рис. 3.

Аналогичные испытания выполнены на углепластиковой оснастке с шероховатостью поверхности Ка<1,6 (рис. 4 и 5).

Рис. 2. Результаты испытаний антиадгезионных покрытий на оснастке из алюминиевого сплава Д16ч.-АТ и заготовок из препрега стеклопластика марки СТ-69Н: