CC BY
123
УДК 678
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ АНАЛОГА УГЛЕРОДНОЙ ОДНОНАПРАВЛЕННОЙ ЛЕНТЫ УОЛ-300-2, ПРЕПРЕГА НА ЕЕ ОСНОВЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПОЛУЧЕННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ
О.А. Караева, К.С. Габриельс, Д.В. Полухин, А.М. Кудрин
Получен аналог углеродной однонаправленной ленты УОЛ-ЗОО-2 с использованием углеродных нитей ТОНО ТЕМАХ ЗК. Отработаны технологические режимы получения препрегов на основе аналога ленты УОЛ-ЗОО-2 с применением растворного эпоксидного связующего ЭДТ-69Н. Проведенный химический анализ выявил высокое качество пре-прега. Физико-механические испытания показали, что образцы ПКМ на основе «аналог УОЛ-ЗОО-2» + «ЭДТ-69Н» обладают высокой стабильностью прочностных свойств
Ключевые слова: углеродная лента, препрег, полимерные композиционные материалы (ПКМ), физико-механические свойства
Введение
Последние годы характеризуются всплеском интереса к углепластикам, которые, благодаря высокой прочности и низкой удельной плотности, по сравнению с металлическими конструкциями, находят широкое применение в авиастроении, автомобилестроении и других областях производства . Среди довольно скудного разнообразия углеродных лент, используемых в качестве наполнителей углепластиков, наибольшее распространение в России получила углеродная однонаправленная лента конструкционного назначения УОЛ-ЗОО-2 на основе углеродных крученых нитей отечественного производства УКН ЗК или УКН 6К. К недостаткам углеродных нитей УКН можно отнести низкие прочностные характеристики и высокую стоимость, что, в свою очередь, приводит к высокой стоимости углеродных лент на их основе. В то же время западные аналоги углеродных нитей УКН обладают большей жесткостью, значительной прочностью при растяжении и сжатии, и существенной дешевизной по сравнению с отечественными нитями.
Целью настоящей работы являлось получение аналога углеродной однонаправленной ленты УОЛ-ЗОО-2, с использованием высокомодульных нитей иностранного производства на примере нитей ТОНО ТЕМАХ ЗК, отработка технологических режимов изготовления препрегов на основе аналога УОЛ-ЗОО-2 и растворного эпоксидного связующего типа ЭДТ-69Н [1], а также исследование механических свойств полученных образцов полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Методика эксперимента
В основе получения аналога углеродной однонаправленной ленты УОЛ-ЗОО-2 лежит изготовление текстильных структур полотняного перепле-
Караева Оля Анатольевна - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, мл. науч. сотрудник, e-mail: [email protected] Габриельс Константин Сергеевич - ВГТУ, инженер, e-mail: [email protected]
Полухин Денис Вадимович - ВГТУ, инженер, e-mail: karapusha. 89mail.ru
Кудрин Алексей Михайлович - ВГТУ, зав. лабораторией, e-mail: [email protected]
тения углеродных нитей ТОНО ТЕМАХ ЗК и стеклянных нитей ВМПС-8, расположенных друг относительно друга в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Нити, идущие вдоль ленты, называют нитями основы, а нити, идущие поперек ленты -нитями утка. Принципиальная схема выработки углеродных однонаправленных прекурсоров на примере аналога УОЛ-ЗОО-2, с использованием ткацкой линии БОКМЕК, показана на рис. 1.
Рис. 1. Аппаратная схема ткацкой линии БОКШЕК
Нити основы ТОНО ТЕМАХ ЗК (2), сматываемые с бобин на шпулярнике (1), проходили через концентрирующее бердо (З), огибали натяжной барабан товарного регулятора (4), скало (5) и принимали горизонтальное положение. Далее, они проходили через глазки галев ремизных рам (7), перемещающих нити основы в вертикальном направлении для образования зева. В зев рапирой (1О) вводилась уточная нить ВМПС-8, которая прибивалась к опушке ленты бердом (8), совершающим возвратно-поступательное движение. У опушки ленты нити основы, переплетаясь с нитью утка, образовывая аналог УОЛ-ЗОО-2, который огибал грудницу, вальян (11), направляющие валики (14) и навивался на товарный валик (15). Для более плотного наматывания ленты на товарный вал применялся прижимной вал (16). Стеклонити ложной кромки, отрезаемые от ленты ножницами (9) направляются в сборник (12). По краям ленты находится термоплавкая нить 2-46, которая приплавляется к нитям основы с помощью инфракрасной лампы (1З) и предотвращает расхождение нитей основы в перпендикулярном направлении.
Поскольку аналог ленты УОЛ-300-2 составляли нити ТОНО ТЕМАХ 3К с линейной плотностью 200 текс, а в качестве уточной нити была использована ВМПС-8 с линейной плотностью 56 текс, то расчет номера берда и количества нитей основы для полотна шириной 200 мм, при условии, что поверхностная плотность ленты 222±8 г/м2 (согласно [2]), а плотность уточных нитей 1,4 нить/см, производилась следующим образом:
1) поверхностная плотность уточной нити:
140 нитей/м * 56/1000 г/м = 7,8 г/м2;
2) поверхностная плотность ленты без уточных нитей:
222 г/м2 - 7,8 г/м2 = 214,2 г/м2;
3) номер берда:
214,2 г/м2 / 0,2 г/м = 11 нитей/см;
4) количество нитей основы для полотна 200 мм составляет 11 нитей/см*20 см = 220 нитей плюс четыре дополнительные нити.
Таким образом, при заправке линии было использовано ткацкое бердо 2АМРММ 0,31-11 -951045, позволившее при данных условиях получить поверхностную плотность ленты 222±8 г/м2. Результаты измерение реальной плотности ленты соответствовало данному интервалу значений.
Следующим этапом в работе было получение препрега на основе растворного эпоксидного связующего ЭДТ - 69Н и наполнителя в виде аналога углеродной однонаправленной ленты УОЛ-300-2 методом пропитки армирующего материала из раствора связующим [3]. В данном способе использовалось нанесение раствора с помощью погружения аналога ленты У0Л-300-2-3К в ванну с растворным связующим и с последующим удалением растворителя из препрега путем термической обработки.
По технологической инструкции получение препрега начиналось с проведения визуального входного контроля и проверки нормативной документации на основные и вспомогательные материалы. Затем проводили заправку пропиточной линии вспомогательными материалами: картонной гильзой, разделительной полиэтиленовой пленкой, как показано на рис. 2.
Р2 НЗ Р4
Рис. 2. Технологическая схема получения препрегов на основе УОЛ-300-2-3К / ЭДТ-69Н
Рулон аналога углеродной однонаправленой ленты У0Л-300-2 с нитями основы - ТОНО ТЕМАХ помещали на размотчик Р1 (На рис. 2 углеродная лента имеет обозначение М1). Далее ленту
пропускали через систему узлов пропиточной линии таким образом, чтобы проходя каландр К1 она попадала в блок нанесения растворного связующего, где наполнитель погружался в ванну 1 с эпоксидным растворным связующим ЭДТ- 69Н. Заданная температура и вязкость связующего контролировалась с помощью станции UNICA с измерителем и регулятором вязкости GAMA, которая подключена к ванне. Из технологической схемы видно (рис.2), что после ванны лента пропускалась через отжимные валы, с заранее установленным зазором, каландр К2, где происходило удаление излишков связующего и возврат их в ванну. Зазор в каландре К2 выставлялся исходя из расчета планируемой концентрации связующего в растворители 50 % и содержании связующего 41±2 % масс.
Далее пропитанная лента УОЛ-300-2-3К сразу поступала в сушильную горизонтальную инфракрасную печь 2, которая оснащена двумя регулируемыми зонами нагрева. Основная масса растворителей в виде спиртово-ацетонной смеси удалялась в первой зоне, а во второй зоне препрег досушивался до допустимой остаточной концентрации летучих веществ 1-3 % масс.
Посушенный полимерный композит закрывался с двух сторон разделительной полиэтиленовой пленкой в зоне каландра К3. После этого препрег проходил через блок контроля качества поверхностной плотности препрега QMS-12 MAHLO, где осуществлялся непрерывный неразрушающий контроль поверхностной плотности получаемого материала. Предварительно на каландре К4 полиэтиленовая пленка убиралась, чтобы значения пленки не вносили дополнительную погрешность в измерение поверхностной плотности самого препрега. Затем на каландре К5 препрег закрывался вспомогательным материалом М2 и сматывался в рулон на товарном вале Нк, что в дальнейшем позволило катушку транспортировать, хранить и использовать при раскрое и выкладке без склеивания слоев в конечном продукте.
Равномерность распределения связующего по ширине и по длине препрега отражалась на экране блока контроля плотности QMS-12 MAHLO в реальном времени. Прибор показывал значения суммарной плотности углеродной ленты и связующего, включая остаточный растворитель.
Проверка препрега на входной контроль, - на содержания летучих веществ и связующего методом экспресс - анализа [3], являлась одним основных этапов контроля качества в процессе получения материала.
Важнейшей частью анализа качества препрега является проверка его прочностных характеристик и пригодности для последующего использования в промышленности. Механические испытания на определение предела прочности при растяжении и сжатии полимерного композиционного материала на основе углепластика полученного из аналога ленты У0Л-300-2 и растворного связующего ЭДТ-69Н методом прямого прессования [3], проводи-
лись на универсальных разрывных машинах семейства ШБТЯОМ
Испытания на растяжение образцов прямоугольной формы с накладками выполнялись по методике АБТЫ 3039 [4] на разрывной машине 1^1гоп 5985, с максимальным усилием 250 кН до полного разрушения образца со скоростью перемещения подвижной рамы машины 1,3 мм/мин. при комнатной температуре.
Испытания на сжатие образцов прямоугольной формы проводились по методике АБТЫ 6641 [5] на разрывной машине 1^1гоп 5982, с максимальным усилием 100 кН до полного разрушения образца со скоростью перемещения подвижной рамы машины 1,3 мм/мин. при комнатной температуре.
Результаты и обсуждения
Параметры, полученные методом экспресс-анализа, соответствуют технологическим нормам, изначально заложенным в общих требованиях к препрегу, и имеют следующие значения: содержание связующего не более 41% масс., содержание летучих веществ не более 2,5 % масс.
Прочностные характеристики при растяжении и сжатии, полученные входе испытаний образцов углепластика аналога однонаправленной углеродной ленты У0Л-300-2 + ЭДТ-69Н, показаны в таблице.
Результаты испытаний прочностных характеристик при растяжении и сжатии углепластика
УОЛ-300-2 + ЭДТ-69Н
№ образца Ораст., МПа о сжат., МПа
1 1905 907
2 1857 889
3 1860 857
Среднее значение 1874 884
Примечание: ораст., - предел прочности при растяжении, о сжат., - предел прочности при сжатии.
Из таблицы видно, что значения механических испытаний исследуемого материала для разных образцов изменяются незначительно. Это означает,
Воронежский государственный технический ун
что можно говорить о стабильности прочностных свойств испытанных образцов полимерных композиционных материалов. Полученные величины не уступают значениям и даже по некоторым показателем прочностных характеристик выше, чем уже у существующих углепластиков на основе углеродных лент УОЛ-300-2.
Заключение
В ходе выполнения данной работы были отработаны технологические режимы получения аналога углеродной однонаправленной ленты УОЛ-300-2, с использованием углеродных нитей иностранного производства на примере нитей TOHO TENAX 3К. С использованием полученного углеродного прекурсора в виде армирующего наполнителя были отработанны технологические режимы получения препрегов УОЛ-300-2 + ЭДТ-69Н. Образцы углепластика, изготовленные на основе таких препрегов, демонстрируют стабильность прочностных свойств, значения которых сравнимы со значениями механических свойств существующих материалов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки в рамках госзадания на НИР университету на 2014 г.
Литература
1. Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов - Научные публикации сотрудников ВИАМ. - Публикации 2008 года: http://viam.ru/public/files/2008/2008-205022.pdf
2. ТУ 1916-167-05763346-96, изменение № 4 ленты углеродные однонаправленные УОЛ.
3. Технология получения и физико-химические свойства препрегов ЛУ-П-0,1 + ЭНФБ и углепластиков на их основе [Текст] / О. А. Караева, А. М. Кудрин, А. В. Калгин, О. В. Овдак // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 6. - С. 60-62.
4. ASTM D 3039 «Standard test method for tensile properties of polymer matrix materials».
5. ASTM D 6641 - 01 «Standard test method for determining the compressive properties of polymer matrix composite laminates using a combined loading compression (CLC) test fixture».
TECHNOLOGY OF CARBON UNIDIRECTIONAL RIBBON ANALOGUE OF UOL-300-2, PREPREG BASED ON IT AND DETERMINATION THE MECHANICAL PROPERTIES OF
CARBON PLASTICS
O.A. Karaeva, K.S. Gabriels, D.V. Poluhin, A.M. Kudrin
An analogue of unidirectional carbon ribbon UOL-300-2, using the carbon fibers TOHO TENAX 3K, have been obtained. Technological regimes of prepregs based on an analogue ribbon UOL-300-2 using distribution mortar epoxy binder EDT-69N, have been made. Chemical analysis revealed the high quality of the prepreg. Physic mechanical tests showed that samples of PCM based on «analogue UOL-300-2» + «EDT-69N» have high stability strength properties
Key words: carbon ribbon, prepreg, polymer composite materials (PCM), the physic mechanical properties
