Способ получения слоистого пластика

Изобретение относится к способу получения слоистого пластика, используемого для изготовления изделий машиностроительной и авиационной промышленности, в том числе для изготовления широкоходных лопаток. Способ заключается в том, что углеродный волокнистый наполнитель пропитывают эпоксидным связующим и получают препрег. Затем осуществляют сборку препрегов в пакет и формование. При сборке в пакет между слоями препрегов размещают термопластичную полиамидную или полисульфоновую пленку в количестве 1-10 мас.% на 100 мас.% связующего. Поверхностная энергия термопластичной пленки составляет не менее 50 мДж/м². Изобретение позволяет повысить сопротивление к ударным нагрузкам и получить пластик с высоким уровнем сохранения остаточной прочности при сжатии после удара. 3 з.п.ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к способу получения слоистого пластика на основе углеродных волокнистых наполнителей и термореактивных связующих. Изобретение может быть использовано в машиностроительной и авиационной промышленности, в том числе для изготовления широкохордных лопаток перспективных ТРДД гражданской авиации.

Известен способ получения слоистого пластика на основе углеродных волокон и термореактивных связующих. Препрег получают путем пропитки углеродного наполнителя полимерным связующим, затем в зависимости от заданной схемы армирования проводят раскрой препрега при комнатной температуре. Нарезанные листы препрега определенной формы собирают в пакет. Приготовленный пакет укладывают в металлическую форму и формуют. Формование осуществляют при воздействии температуры, зависящей от типа полимерной системы, и давления («Углеродные волокна» Под ред. С.Симамуры, М., «Мир», 1987, стр.83-85).

Известный способ получения слоистого пластика не дает возможности регулировать свойства материала с целью повышения ударопрочности и снижения повреждаемости.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ получения слоистого пластика, включающий получение препрега путем пропитки углеродного волокнистого наполнителя полимерным связующим, сборку препрегов в пакет и формование (патент РФ №2176255).

Слоистые пластики, изготовленные указанным способом, имеют недостаточную стойкость к воздействию ударных нагрузок.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения слоистого пластика с повышенным сопротивлением к ударным нагрузкам, с высоким уровнем сохранения остаточной прочности при сжатии после удара.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения слоистого пластика, включающий получение препрега путем пропитки углеродного наполнителя эпоксидным связующим, сборку пакета из препрега и формование, при этом при сборке пакета между слоями препрегов дополнительно размещают термопластичную полиамидную или полисульфоновую пленку с поверхностной энергией не менее 50 мДж/м² в количестве 1-10 мас.% на 100 мас.% связующего в виде сплошных слоев, полос или сетки.

В качестве одного из вариантов изобретения термопластичную пленку в виде сплошных слоев предлагается размещать под наружными слоями препрега.

В качестве углеродного волокнистого наполнителя используют жгуты, ленты, ткани.

Авторами установлено, что распределение в объеме слоистого пластика заявленного количества термопластичной пленки с указанной поверхностной энергией приводит к увеличению ударных характеристик материала, причем наилучший технический результат достигается при использовании полиамидных или полисульфоновых пленок.

Существенным отличием предлагаемого изобретения является использование в процессе сборки пакета термопластичной пленки с поверхностной энергией не менее 50 мДж/м² в количестве 1-10% мас.% на 100 мас.ч. связующего. Это приводит к существенному увеличению показателей вязкости разрушения и остаточной прочности при сжатии после нормированного удара и позволяет регулировать свойства материала в зависимости от величины наиболее вероятных повреждений от ударных нагрузок с разными энергиями.

При ударе с энергией до 10 Дж с целью рассеивания энергии в поверхностных слоях слоистого пластика пленку размещают под наружными слоями препрега. При ударах с энергией от 10 до 40 Дж наиболее вероятно сквозное повреждение пластика. В этом случае предпочтительно размещать пленку в виде сплошных слоев между всеми слоями препрега для предотвращения растрескивания материала. Использование пленки в виде полос с определенным шагом или сеток с определенным размером ячейки позволяет регулировать максимально разрешенный размер вероятного дефекта или допускаемого эксплуатационного повреждения.

Применение термопластичных пленок с поверхностной энергией менее 50 мДж/м² не приводит к достижению технического результата, так как вследствие недостаточной смачиваемости поверхности пленки резко снижается межслоевая прочность и вязкость разрушения углепластика.

Определение поверхностной энергии пленок производится по эталонным индикаторам. Этот метод основан на измерении краевого угла смачивания поверхности твердого тела жидкостями. Определение величины поверхностной энергии проводили с помощью набора тестовых жидкостей с известной силой поверхностного натяжения с интервалом измерения 2-10 мДж/м².

Использование термопластичной пленки в количестве менее 1 мас.% вызывает технологические трудности при размещении пленки при сборке пакета, а увеличение количества пленки свыше 10 мас.%, в свою очередь, приводит к снижению прочностных характеристик углепластика.

Толщина применяемой термопластичной пленки выбирается в зависимости от толщины монослоя углепластика, но предпочтительнее использовать пленки толщиной 40-75 мкм.

Примеры осуществления

Пример 1.

Получали препрег путем пропитки углеродного волокнистого наполнителя - углеродной ленты УОЛ-300-2-3к (ТУ 1916-167-05763346-96) раствором эпоксидного связующего ВС-2526к на основе тетрафункциональной эпоксидной смолы и смеси отвердителей (ТУ 1-595-25-261-88), затем производили раскрой препрега на заготовки требуемого размера и осуществляли сборку пакета из препрега, в процессе которой между всеми слоями препрега размещали полиамидную пленку ПА-6 (ТУ 6-19-255-84) толщиной 75 мкм с поверхностной энергией 50 мДж/м² в виде сплошных слоев в количестве 10 мас.% от 100% связующего, и производили прессование углепластика при температуре 190°С и давлении 1 МПа в течение 4 ч.

Пример 2.

Получали препрег путем пропитки углеродного волокнистого наполнителя - углеродной ленты УОЛ-300-2-3к раствором эпоксидного связующего ВС-2526к, затем производили раскрой препрега на заготовки требуемого размера и осуществляли сборку пакета из препрега, в процессе которой между всеми слоями препрега размещали полисульфоновую пленку ПСН (ТУ 6-19-151-285-88) с поверхностной энергией 62 мДж/м² в виде сплошных слоев в количестве 10 мас.% от 100% связующего, и производили прессование углепластика при температуре 190°С и давлении 1 МПа в течение 4 ч.

Пример 3.

Получали препрег путем пропитки углеродного волокнистого наполнителя - углеродной ленты УОЛ-300-2-3к раствором эпоксидного связующего УП-2227 на основе полифункциональной эпоксидной смолы в смеси с низкомолекулярными эпоксидными смолами (ТУ 1-595-12-526-98), затем производили раскрой препрега на заготовки требуемого размера и осуществляли сборку пакета из препрега, в процессе которой между всеми слоями препрега размещали полиамидную пленку ПА-6 (ТУ 6-19-255-84) толщиной 75 мкм с поверхностной энергией 54 мДж/м² в виде полос шириной 50 мм с шагом 50 мм в количестве 5 мас.% от 100 мас.% связующего, и производили прессование углепластика при температуре 190°С и давлении 1 МПа в течение 4 ч.

Пример 4.

Получали препрег путем пропитки углеродного волокнистого наполнителя - углеродной ленты УОЛ-300-2-3к раствором эпоксидного связующего ЭНФБ-2М на основе полифункциональной эпоксидной смолы, модифицированной полиэфирной смолой (ТУ 1-595-25-494-96), затем производили раскрой препрега на заготовки требуемого размера и осуществляли сборку пакета из препрега, в процессе которой между всеми слоями препрега размещали полисульфоновую пленку ПСН толщиной 75 мкм с поверхностной энергией 60 мДж/м² в виде сетки, состоящей из полос шириной 50 мм с шагом 100 мм, в количестве 10 мас.% от 100% связующего и производили прессование углепластика при температуре 190°С и давлении 1 МПа в течение 4 ч.

Пример 5.

Получали препрег путем пропитки углеродного волокнистого наполнителя - углеродного жгута УКН-М/6к (ТУ 1916-146-05763346-96) раствором эпоксидного связующего ВС-2526к, затем производили раскрой препрега на заготовки требуемого размера и осуществляли сборку пакета из препрега, в процессе которой под верхний и нижний наружные слои препрега вводят полисульфоновую пленку ПСН толщиной 50 мкм с поверхностной энергией 60 мДж/м² в виде сплошных слоев в количестве 1 мас.% от 100% связующего, и производят прессование углепластика при температурах 190°С и давлении 1 МПа в течение 4 ч.

Свойства углепластиков приведены в таблице, где примеры 1-5 - предлагаемые, 6-прототип. Количество слоев препрега в углепластике составляет от 16 до 32. Изобретение не ограничивается приведенными примерами.

Таблица
№№ примера	G1c (вязкость разрушения), Дж/м2	Остаточная прочность при сжатии после удара с энергией 8 Дж, МПа	Прочность при изгибе, МПа	Прочность при растяжении, МПа	Прочность при сдвиге, МПа	Модуль упругости при изгибе, ГПа
1	710	320	1700	1700	70	135
2	820	340	1700	1700	80	135
3	685	360	1700	1700	90	130
4	865	320	1700	1700	75	120
5	770	320	1800	1750	98	140
6 прототип	350	180-200	1600	1500	70	130

Из таблицы следует, что углепластики, полученные заявленным способом, обладают повышенной в среднем в 2 раза по сравнению с прототипом вязкостью разрушения, имеют высокую остаточную прочность при сжатии после нормированного удара.

Таким образом, применение предлагаемого способа изготовления углепластика позволит создать изделия для машиностроения и авиастроения с повышенными показателями ударопрочности.

1. Способ получения слоистого пластика, включающий получение препрега путем пропитки углеродного волокнистого наполнителя эпоксидным связующим, сборку препрегов в пакет и формование, отличающийся тем, что при сборке пакета между слоями препрегов размещают термопластичную полиамидную или полисульфоновую пленку с поверхностной энергией не менее 50 мДж/м² в количестве 1-10 мас.% на 100 мас.% связующего.

2. Способ получения слоистого пластика по п.1, отличающийся тем, что термопластичную пленку размещают в виде сплошных слоев, полос или сетки.

3. Способ получения слоистого пластика по п.1, отличающийся тем, что термопластичную пленку в виде сплошных слоев размещают под наружными слоями препрега.

4. Способ получения слоистого пластика по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродного волокнистого наполнителя используют жгуты, ленты, ткани.