CC BY
246
УДК 538.951-4Q5
Материаловедение
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕПРЕГОВ ЛУ-П-0,1 + ЭНФБ И УГЛЕПЛАСТИКОВ НА ИХ ОСНОВЕ О.А. Караева, А.М. Кудрин, А.В. Калгин, О.В. Овдак
Отработаны технологические режимы получения препрегов, состоящих из углеродной ленты ЛУ-П-0,1 и растворного эпоксидного связующего ЭНФБ, на лабораторном технологическом комплексе получения препрегов COS.T.A. По результатам химического анализа сделан вывод о высоком качестве полученных препрегов. Физикомеханические испытания показали, что созданные на основе препрегов ЛуП-0,1 + ЭНФБ углепластики обладают высокой стабильностью прочностных свойств, величины которых сравнимы с величинами прочностных свойств коммерческих аналогов
Ключевые слова: углеродная лента, растворные эпоксидные связующие, препрег, углепластик, предел прочно-
Введение
Последние1 годы характеризуются всплеском интереса к углепластикам, которые, благодаря обеспечению высокой прочности и низкой плотности конструкциям по сравнению с металлическими изделиями, находят широкое применение в народном хозяйстве. Структура углепластика представляет собой чередующиеся слои препрегов, выложенные различными методами. В свою очередь, препрег - это композит-полуфабрикат, доступный в виде однонаправленных углеродных лент, двунаправленных и разнонаправленных углеродных тканей, пропитанных полимерным связующим. Для получения высококачественных препрегов самые высокие требования применяются не только к исходному сырью, но и к технологическому оборудованию. В рамках кооперации предприятия и вуза и реализации проекта создания высокотехнологичного производства на территории ОАО «ВАСО» силами ВГТУ был спроектирован и установлен самый современный в России лабораторный технологический комплекс пропитки (получения препрегов) С08.Т.А., который позволяет пропитывать армирующие волокнистые основы (ленты, жгуты, ткани и сетки) тремя основными способами: методом горячего расплава (Ио^теЙ), пропиткой в ванне и пропиткой с помощью ножа над валом (ракли). Главным вопросом
Караева Оля Анатольевна - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, инженер, e-mail: olgakaraeva9@mail.ru Кудрин Алексей Михайлович - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией, тел.(473) 2 46 66 47 Калгин Александр Владимирович - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, мл. науч. сотрудник, тел.(473) 2 46 66 47 Овдак Ольга Васильевна - ВГТУ, аспирант, тел.(473) 2 46 66 47
становится разработка индивидуального технологического процесса, отработка и оптимизация его технологических режимов получения новых или уже известных препрегов.
Настоящая работа посвящена отработке технологических режимов получения препре-гов, состоящих из ленты углеродной конструкционной ЛУ-П-0,1 [1] и растворного эпоксидного связующего ЭНФБ [2], с помощью лабораторного технологического комплекса пропитки С08.Т.А., а также изучению механических свойств углепластиков, изготовленных на основе полученных препрегов.
Методика эксперимента
Для получения препрегов на основе растворных связующих применялась пропитка наполнителя в ванной (рис.) с последующим удалением растворителя путем сушки. Лента 1 (ЛУ-П-0,1) с разматывающего устройства Р1, проходя через каландр К1, попадала в узел нанесения растворного связующего, где наполнитель пропускался через ванну 2 с эпоксидным связующим ЭНФБ, а затем отжимался с помощью отжимных валов каландра К2.
©
if
; К1
*8
ч
: ■ К2 ©
ІЛГ
в
Технологическая схема получения препрегов на комплексе пропитки COS.T.A.
1 - лента, 2 - ванна с растворным связующим, 3 -инфракрасная печь, 4 - система контроля качества препрега QMS-12 МаЫо, 5 - вспомогательный материал (пленка), Р1-Р5 - размотчики, К1-К4 - ка-
6Q
ландры, Т - товарный вал, • - тензодатчики, о -вспомогательные валы или ролики Нержавеющая ванна соединена двумя шлангами со станцией подачи растворного связующего. Данная станция, используя показания устройства измерения и поддержания вязкости GAMA, обеспечивала автоматическую регулировку вязкости и температуру связующего. Пропитка ленты связующим проводилась при комнатной температуре. Количество наносимого связующего ограничивалось зазором между отжимными валами каландра К2, который регулировался с помощью щупов и индикаторов на блоке управления с точностью меньше 10 мкм, исходя из того, чтобы содержание связующего в препреге составляло 39 ± 3% при планируемой концентрации связующего в растворителе около 50%. Излишки связующего возвращались в ванну. Пропитка ленты проводилась с линейной скоростью 1,8 м/мин. Из узла нанесения связующего пропитанная лента поступала в сушильную печь, где в первой зоне удалялась основная масса растворителей, а во второй зоне материал досушивался до допустимой остаточной концентрации летучих веществ 1-3 %. Контроль температуры в зонах печи осуществлялся с использованием пиродатчиков. В зоне каландра КЗ подсушенный препрег закрывался с двух сторон разделительной полиэтиленовой пленкой. После этого препрег вместе с разделительными пленками проходил через блок контроля поверхностной плотности QMS-12 Mahlo 4, где осуществлялся непрерывный неразрушающий контроль поверхностной плотности получаемого материала, а затем поступал на товарный вал Т. Равномерность распределения связующего по ширине и длине препрега наблюдалась на экране блока контроля плотности QMS-12 Mahlo в реальном времени. Прибор показывал значения суммарной плотности разделительных пленок, углеродной ленты и связующего, включая остаточный растворитель. Установленные величины отклонения плотности составляли ± 5 г/м .
Полученные препреги проходили приемочный контроль, в ходе которого проверялись следующие основные характеристики: содержание связующего, содержание летучих веществ и содержание растворимой части смолы в процентах уже по отработанным методикам.
Содержание летучих веществ (Л) и связующего (Св) в препрегах на основе углеродного наполнителя ЛУ-П-0,1 определялось экспресс-методом и рассчитывалось по формулам
(1) и (2).
Р — Р
Л = -1----------------------2-100, (1)
Рі
-2 - -
Св = —--------100,
-2
(2)
где Р - масса образца непропитанного наполнителя, Р1 - масса образца препрега до сушки, Р2 - масса образца препрега после сушки.
Для этого по шаблону из рулона с сухой лентой вырезались три образца и на аналитических весах с точностью 10-4 определялись их массы Р. Затем по тому же шаблону вырезались образцы препрега и аналитических весах с точностью 10" определялись их массы Р1. И, наконец, образцы препрега выдерживались в сушильном шкафу при температуре 160 ± 5 °С в течение 10 минут, охлаждались до комнатной температуры и взвешивались на аналитических весах с точностью 10- для определения их массы Р2.
Массовая доля растворимой смолы в пре-преге находилась методом экстрагирования в аппарате Сокслета по формуле - - -М =-5-------------------------4 -100,
раств Т) Т)
-3 — -
(3)
где Р - масса образца непропитанного наполнителя, Р3 - масса образца препрега до экстрагирования, Р4 - масса образца препрега после экстрагирования и сушки.
Препреги, прошедшие приемочный контроль, выкладывались по методу формования под прессом, после чего получались углепластики ЛУ-П-0,1 + ЭНФБ, качество которых проверялось испытаниями на прочность при растяжении, сжатии и изгибе.
Испытания на растяжение образцов углепластиков ЛУ -П-0,1 + ЭНФБ проводились на разрывной машине Ішрек с механическим захватами со скоростью растяжения 10мм/мин при комнатной температуре. Образцы имели размеры 250 х 12 х 1 мм .
Испытания на сжатие образцов углепластиков ЛУ -П-0,1 + ЭНФБ были выполнены на разрывной машине Р5 с максимальной нагрузкой до 5 тонн со скоростью сжатия 20мм/мин при комнатной температуре. Геометрические размеры образцов составляли 125 х 10 х 1 мм .
6І
Испытания на статический изгиб осуществляли при комнатной температуре на образцах углепластиков ЛУ -П-0,1 + ЭНФБ с размерами 60 х 25 х 1 мм3, используя аппарат для испытаний пластмасс на изгиб и прочность ХР-01 с максимальной нагрузкой 250 кг.
Результаты и обсуждение
Результаты приемочного контроля пре-прегов, полученные по формулам (1)-(3), представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты экспресс-анализа препрега
ЛУ -П-Q, + ЭНФБ
Номер рулона Содержание летучих веществ, % Содержание связующего, % Содер- жание раство- римой смолы, %
І 2,3 36,6 99,2
2 І,9 4Q,5 99,4
3 І,2 36 97,9
4 І 4І,5 99,3
5 І,4 4І,І 98,9
6 2 39,2 99,3
7 2,4 37,4 99, І
8 2,4 4І 99,3
9 2,3 39,І 99,3
rn 3 38,7 99,2
ІІ 2,9 39,4 99,5
І2 3 4І,6 99,3
Сред- нее значе- ние 2,5 4І,7 99,2
Полученные результаты полностью укладываются в нормы, установленные в технологической инструкции ТИ 59-ІІІІ-Q3, свидетельствуя о том, что технологические режимы получения препрега ЛУ -П-Q, І + ЭНФБ подобраны правильно, а сам препрег является качественным.
Данные о прочности при растяжении, сжатии и изгибе углепластиков ЛУ-П-QJ + ЭНФБ показаны в табл. 2.
Воронежский государственный технический университет
Таблица 2
Результаты испытаний на прочность при растяжении, сжатии и изгибе углепластика ЛУ-П-0,1 + ЭНФБ
Материал № образца сраст., МПа ^жат^ МПа Оизг^ МПа
ЛУ-П-Q,! + ЭНФБ І 9І7,2 І254,9 763,7
2 9І5,9 І244, І 768,6
3 966,4 І263,7 762,7
4 9Q9,6 І275,4 776,5
Примечание: сраст. - предел прочности при растяжении, с сжат. - предел прочности при сжатии, сизг. -предел прочности при изгибе
Из таблицы видно незначительное изменение величины предела прочности при растяжении, сжатии и изгибе от образца к образцу, что говорит о высокой стабильности прочностных свойств испытанных углепластиков. Полученные величины предела прочности углепластиков ЛУ-П-0,1 + ЭНФБ при разных видах испытаний не уступают величинам предела прочности их коммерческих аналогов.
Заключение
В ходе выполнения данной работы были отработаны технологические режимы получения качественных препрегов ЛУ-П-0,1 + ЭНФБ, о чем свидетельствуют результаты их химического анализа, которые в полной мере удовлетворяют нормам технологической инструкции ТИ 59-1111-03. Изготовленные на основе таких препрегов углепластики демонстрируют высокую стабильность прочностных свойств, значения которых сравнимы со значениями прочностных свойств существующих коммерческих аналогов.
Литература
1. ГОСТ 28006-88. Лента углеродная конструкционная. Технические условия. М.: Госстандарт Союза ССР: Изд-во стандартов, 1988. 15 с.
2. ТУ 1-596-36-2005. Связующее ЭНФБ. Технические условия.
MANUFACTURE TECHNOLOGY AND PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF PREPREGS LU-P-0.1+ ENFB AND CARBON FIBER - REINFORCED PLASTICS ON THEIR BASIS O.A. Karaeva, A.M. Kudrin, A.V. Kalgin, O.V. Ovdak
Technological modes of manufacturing prepregs consisting of a carbon tape LU-P-0.1 and an epoxy resin ENFB
using the coating plant COS.T.A. have been worked out. Results of a chemical analysis indicate high quality of manufactured prepregs. Physico-mechanical tests have showed that manufactured prepreg-based composites have high stability of strength properties. Values of strength properties of composites are comparable to that of commercial analogues
Key words: carbonic tape, solution epoxy resins, prepreg, carbon fiber - reinforced plastic, strength
