Способ изготовления препрега
Владельцы патента RU 2321606:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (RU)
Изобретение относится к способу изготовления препрега на основе жгутов из углеродных, стеклянных, органических волокон или любых их сочетаний, а также тканей различного переплетения на их основе, используемых для изготовления изделий транспортного, авиационно-космического и другого назначения. Способ заключается в том, что вначале проводят первую пропитку наполнителя в первой ванне 5-20%-ным раствором полимерного связующего, подогретого до температуры 25-30°С, со скоростью пропитки 0,45-1,5 м/мин при воздействии ультразвуковыми волнами на наполнитель. Далее осуществляют сушку инфракрасным излучением при прохождении наполнителя со скоростью 0,45-1,5 м/мин. Вторую пропитку наполнителя во второй ванне проводят 49-65%-ным раствором того же полимерного связующего, подогретого до температуры 25-30°С, со скоростью пропитки 0,45-1,5 м/мин при воздействии ультразвуковыми волнами. Затем осуществляют сушку наполнителя при прохождении его со скоростью 0,45-1,5 м/мин через горизонтальную камеру сушки при температуре ниже температуры желатинизации связующего не менее чем на 20°С. Далее подсушенный наполнитель пропускают через систему тянущих обогреваемых и охлаждаемых каландров. Изобретение позволяет повысить качество пропитки препрега. 6 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.
Изобретение относится к области получения препрегов на основе жгутов из углеродных, стеклянных, органических волокон или любых их сочетаний, а также тканей различного переплетения на их основе, используемых для изготовления изделий транспортного, авиационно-космического и другого назначения.
Известен способ получения углеродоволокнистого препрега, основанный на непрерывной пропитке углеродного волокнистого наполнителя полимерным связующим после пропускания электрического тока через отрезок движущегося между электродами углеродного волокнистого наполнителя с полным удалением адсорбированной из окружающей среды воды, технологического замасливателя и загрязнений поверхности (RU, №2162864, кл. C08J 5/06, опубл. 20.10.2000 г.).
Недостатком этого способа является то, что он не применим для изготовления препрегов, в качестве наполнителей которых используются волокна, обладающие диэлектрическими свойствами, например стекловолокна или органические волокна, так как они не электропроводны и не образуют электрической дуги. Не применим данный способ и к углеродным наполнителям, обработанным активным замасливателем для активации поверхности углеродного наполнителя и увеличения адгезионных свойств наполнителя, так как он удаляется вместе с влагой.
Известен также способ изготовления препрегов, в котором на листовой материал, покрытый антиадгезионным агентом, наносят жидкую композицию на основе термореактивной смолы, не содержащую растворителя, после чего листовой материал накладывают на подложку и полученную сборку нагревают, переводя на подложку композицию, после чего отверждают до В-стадии (JP, №4-6525 В4, кл. В29В 11/16, опубл. 06.02.1992 г.).
Недостатком известного способа является невозможность применения его при изготовлении препрегов, в которых используются связующие, содержащие растворитель, а также жгуты и ткани толстых номиналов, которые невозможно равномерно пропитать по толщине. Высококонцентрированные связующие не обладают такой же текучестью, какой обладают связующие, содержащие растворитель. Они пропитывают жгуты лишь поверхностно, «запирая» воздух между волокнами, составляющими жгут.
Наиболее близким к предложенному способу изготовления препрега является способ, который включает пропитку растворителем подложки из стекловолокна, пропитку эпоксидной смолой подложки из стекловолокна, пропитанной растворителем, нагрев подложки из стекловолокна, пропитанной эпоксидной смолой, дальнейшую пропитку эпоксидным связующим подложки из стекловолокна, пропитанной эпоксидной смолой, в котором эпоксидная смола уже частично отверждена, и нагрев полученной подложки из стекловолокна, пропитанной эпоксидной смолой. Способ отличается тем, что степень полимеризации эпоксидной смолы во внутреннем слое составляет 85% и более, а во внешнем слое степень полимеризации эпоксидной смолы составляет 65% или менее (ЕР, №1241208 А1, кл. C08J 5/24, опубл. 18.09.2002 г., прототип).
Недостатком указанного способа является то, что он не может быть применим при изготовлении препрегов, в которых в качестве наполнителей используются жгуты из углеродных, стеклянных, органических волокон, обработанные активными замасливателями, а также ткани на основе этих волокон, так как при пропитке указанных наполнителей растворителями, используемыми в прототипе, с поверхности наполнителя неравномерно удаляются активные замасливатели, предназначенные для улучшения адгезионных свойств между наполнителем и связующим, используемым для пропитки наполнителя. Кроме того, из-за разных степеней полимеризации эпоксидной смолы во внутреннем и внешнем слоях препрега, возникает зона дополнительного напряжения, которая приводит к ослаблению когезионных и адгезионных связей, что отрицательно сказывается на качестве изготавливаемого препрега. Все это не позволяет получить препрег с заданным уровнем характеристик.
Задачей изобретения является разработка способа изготовления препрега из пропитанных раствором полимерного связующего жгутов из углеродных, стеклянных, органических волокон или их сочетаний, а также тканей различного переплетения, выполненных на основе этих жгутов, и позволяющего получить препрег с заданным уровнем характеристик.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления препрега, включающем первую пропитку наполнителя раствором полимерного связующего, сушку пропитанного наполнителя, вторую пропитку наполнителя раствором того же полимерного связующего, сушку пропитанного наполнителя в камере сушки, согласно предлагаемому изобретению первую пропитку наполнителя проводят 5-20%-ным раствором полимерного связующего, подогретого до температуры 25-30°С, со скоростью пропитки 0,45-1,5 м/мин при воздействии на наполнитель ультразвуковыми волнами. Сушку наполнителя после первой пропитки осуществляют инфракрасным излучением при прохождении его со скоростью 0,45-1,5 м/мин. Вторую пропитку наполнителя осуществляют 49-65%-ным раствором того же полимерного связующего, подогретого до температуры 25-30°С, со скоростью пропитки 0,45-1,5 м/мин при воздействии на наполнитель ультразвуковыми волнами. Сушку наполнителя после второй пропитки проводят при прохождении его со скоростью 0,45-1,50 м/мин через горизонтальную камеру сушки при температуре ниже температуры желатинизации связующего не менее чем на 20°С. Затем подсушенный наполнитель пропускают через систему тянущих обогреваемых и охлаждаемых каландров для получения номинальной толщины препрега и обеспечения суммарного наноса полимерного связующего.
При этом в качестве наполнителя могут использоваться жгуты из углеродных, стеклянных, органических волокон или любых сочетаний, а также ткани различного переплетения, выполненные из жгутов на основе углеродных, стеклянных, органических волокон или их любых сочетаний.
Воздействие ультразвуковых волн при пропитке наполнителя раствором полимерного связующего целесообразно осуществлять перпендикулярно расположению волокон в жгуте при непосредственном касании наполнителем волновода, расположенного в ванне со связующим. При этом параметры воздействия ультразвуковых волн при пропитке наполнителя раствором полимерного связующего могут иметь следующие величины: частота ультразвука 19,5-20,5 кГц, амплитуда колебаний составляет 1,5-3 мкм, мощность ультразвуковых колебаний равна 300 Вт. Температура в зоне пропитки не должна превышать 60°С.
Сушку наполнителя инфракрасным излучением после первой его пропитки раствором полимерного связующего можно проводить при температуре, не превышающей температуру кипения растворителя полимерного связующего.
Наполнитель в виде жгута перед второй пропиткой раствором полимерного связующего целесообразно пропустить через раскладочное поворотное устройство таким образом, чтобы расстояние между центрами жгутов при раскладке на поворотном устройстве было равным ширине раскатанного жгута.
На чертеже представлена схема установки для изготовления препрега: 1 - шпулярник, 2 - шпуледержатели для шпулей со жгутом, 3 - распределительная гребенка, 4 - устройство для крепления ткани, 5 - размоточное устройство для крепления антиадгезионной подложки, 6 - первая пропиточная ванна, 7 - устройство для сушки препрега инфракрасным излучением, 8 - раскладочное поворотное устройство, 9 - вторая пропиточная ванна, 10 - первый обогреваемый пропиточный бак, 11 - второй обогреваемый пропиточный бак, 12 - натяжной узел, 13 - кашировочный каландр, 14 - горизонтальная камера сушки наполнителя после второй пропитки, 15 - обогреваемые и охлаждаемые каландры, 16 - приемное устройство для полученного препрега.
Способ изготовления препрега на основе жгута, состоящего из углеродных, стеклянных, полимерных волокон или их сочетаний, заключается в следующем: жгуты со шпуледержателей 2 шпулярника 1 поступают на распределительную гребенку 3, в которой они равномерно распределяются по ширине и поступают в первую пропиточную ванну 6 с раствором полимерного связующего 5-20%-ной концентрации, которое подается из первого обогреваемого пропиточного бака 10. Пропитка осуществляется воздействием на наполнитель ультразвуковыми волнами при касании жгутом волновода перпендикулярно расположению волокон в жгуте с амплитудой колебаний 1,5-3,0 мкм, частотой ультразвуковых колебаний 19,5-20,5 кГц и мощностью ультразвуковых колебаний 300 Вт. Пропитанный наполнитель поступает в устройство 7 для сушки инфракрасным излучением. Температура сушки не превышает температуру кипения растворителя полимерного связующего. Далее пропитанный жгут поступает на раскладочное поворотное устройство 8, в котором жгут раскладывается так, чтобы расстояние между центрами жгутов равнялось ширине раскатанного жгута. Во второй пропиточной ванне 9 просушенный наполнитель пропитывается 49-65%-ным раствором полимерного связующего при воздействии ультразвуковыми волнами при касании жгутом волновода перпендикулярно расположению волокон в жгуте с частотой ультразвуковых колебаний, равной 19,5-20,5 кГц; амплитудой колебаний 1,5-3 мкм и мощностью ультразвуковых колебаний 300 Вт. Раствор связующего в ванну поступает из второго обогреваемого бака 11. Далее пропитанный наполнитель укладывается на антиадгезионную подложку, которая сматывается с размоточного устройства 5 и поступает в горизонтальную камеру сушки 14. При этом температура сушки пропитанного наполнителя снижена по отношению к температуре желатинизации связующего не менее чем на 20°С. Из горизонтальной камеры сушки 14 просушенный наполнитель проходит через систему тянущих обогреваемых и охлаждаемых каландров 15 для получения номинальной толщины препрега и оптимального суммарного наноса полимерного связующего. Готовый препрег поступает на приемное устройство 16, предварительно распущенный по длине препрега на требуемую ширину. Процесс пропитки и сушки наполнителя проводится со скоростью 0,45-1,5 м/мин.
Способ изготовления препрега на основе тканей различного переплетения, выполненных из жгутов на основе углеродных, стеклянных, органических, полимерных волокон или различных их сочетаний, заключается в следующем: ткань с размоточного устройства 4 поступает в первую пропиточную ванну 6, в которую подается из первого пропиточного обогреваемого бака 10 раствор полимерного связующего 5-20%-ной концентрации. После первой пропитки, осуществляемой при воздействии ультразвуковыми волнами при касании наполнителем волновода, расположенного в пропиточной ванне, при воздействии ультразвуковых волн перпендикулярно волокнам в жгуте, из которого выполнена ткань, при частоте ультразвуковых колебаний 19,5-20,5 кГц, мощности ультразвуковых колебаний 300 Вт и амплитуде колебаний 1,5-3,0 мкм, пропитанная ткань поступает на сушку инфракрасным излучением в устройство 7. Температура в зоне сушки не должна превышать температуру кипения растворителя полимерного связующего. Подсушенная ткань поступает во вторую пропиточную ванну 9 с 49-65%-ным раствором полимерного связующего 9, которое подается из второго обогреваемого бака 11. Концентрация связующего при второй пропитке составляет 49-65%. Далее процесс изготовления препрега аналогичен процессу изготовления препрега на основе жгутов, приведенному выше.
Заявляемый способ пропитки позволяет получить препрег с требуемыми параметрами независимо от толщины волокнистого наполнителя в виде жгута или тканей на его основе, типа наполнителя и полимерного связующего, а так же от ширины ткани.
Пример 1. Углеродный жгут «Грапан-27» ТУ 1916-204-51385208-2001 со шпуледержателей шпулярника поступает на распределительную гребенку и далее на первую пропитку в первую ванну. Раствор эпоксидного модифицированного связующего «ЭНФБ» ТУ 1-596-36-98 5%-ной концентрации поступает из первого обогреваемого бака, имеющий постоянную температуру, равную 25°С. Первую пропитку наполнителя осуществляют в ультразвуковом поле при частоте 20,5 кГц, амплитуде 2,0 мкм и мощности ультразвуковых колебаний 300 Вт. Температура в зоне пропитки жгута равна 30°С. Пропитанный жгут поступает в устройство для сушки инфракрасным излучением для удаления растворителя спирто-ацетоновой смеси. Температура в зоне сушки для данного растворителя 70°С. Далее подсушенный после первой пропитки жгут поступает на раскладочное поворотное устройство. Расстояние между центрами жгутов равно 10 мм. С раскладочного поворотного устройства подсушенный жгут поступает на вторую пропитку во вторую ванну с тем же модифицированным эпоксидным связующим 49%-ной концентрации, поступающим из второго обогреваемого бака, имеющим постоянную температуру 25°С. Параметры воздействия ультразвуквых волн и температура те же, что и при первой пропитке в первой пропиточной ванне. Пропитанный жгут укладывается на антиадгезионную бумагу и поступает в горизонтальную камеру сушки. Температура в камере сушки 90°С. Из камеры сушки препрег, уложенный между двумя антиадгезионными бумагами, проходит через систему каландров. Зазоры на каландрах поддерживаются в диапазоне 0,25-0,33 мм; температура каландров не должна превышать температуру в камере сушки. Скорость пропитки и сушки составляет 1 м/мин. Технологические параметры приведены в таблице 1, физико-химические показатели препрега приведены в таблице 2.
Пример 2. Комбинированная ткань 4510 фирмы «Porcher industries» на основе углеродных волокон по основе, стекловолокна по утку с размоточного устройства поступает в первую пропиточную ванну, в которую из первого обогреваемого бака поступает эпоксидное модифицированное связующее ЭНФБ 10%-ной концентрации с постоянной температурой 25°С. Первую пропитку осуществляют в ультразвуковом поле с частотой ультразвука 19,5 кГц, амплитудой колебаний 1,5 мкм и мощностью ультразвуковых колебаний 300 Вт. Температура в зоне пропитки равна 30°С. После пропитки ткань поступает на сушку инфракрасным излучением при 70°С и во вторую пропиточную ванну на вторую пропитку. В дальнейшем процесс проходит по примеру 1. Параметры пропитки представлены в таблице 1, физико-химические показатели представлены в таблице 2.
Пример 3. Углеродная ткань 3692 фирмы «Porche industries» на основе углеродных волокон пропитывается по примеру 2. Параметры пропитки представлены в таблице 1, физико-химические показатели препрега приведены в таблице 2.
Пример 4. Стеклоткань ТР-0,56-117А (ТУ 5952-060-0,5763895-2003) с размоточного устройства поступает в первую пропиточную ванну для первой пропитки. Фенольное связующее БФОС (ТУ 1-596-113-81) 20%-ной концентрации поступает в ванну из обогреваемого бака со стабильной температурой, равной 25°С. Процесс пропитки аналогичен примеру 2. Параметры пропитки приведены в таблице 1. Физико-химические параметры препрега приведены в таблице 2.
Пример 5. Полимерная ткань СВМ, арт. 56313Н (ТУ 17ВНИИПХВ-350-88) проитывается эпоксиполиизоцианатным связующим ЭП-2МК (ТУ 1-596-66-86) по примеру 2. Параметры пропитки приведены в таблице 1. Физико-химические показатели препрега представлены в таблице 2.
Из приведенных выше примеров 1-5 и таблиц 1 и 2 видно, что предложенный способ позволяет получить препрег на основе пропитанных раствором полимерного связующего жгутов из углеродных, стеклянных, органических волокон или их сочетаний, а также тканей различного переплетения, выполненных на их основе, с заданным уровнем характеристик.
| Таблица 1 | ||||||
| Технологические параметры изготовления препрега | ||||||
| № п/п | Технологические параметры | Углеродный жгут Грапан-27 | Комбин. ткань 4510 | Углеродная ткань 3692 | Стеклоткань ТР-0,56-117А | Полимерная ткань СВМ 56313Н |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 1 | Технический документ | ТУ 1916-204-5138 5208-2001 | «Porcher inddustries» | «Porcher industries» | ТУ 5952-060-0576389 5-2003 | ТУ 17ВНИИПХВ-350-88 |
| 2 | Полимерное связующее | Эпоксидное связующее ЭНФБ | ЭНФБ | ЭНФБ | Фенольное связующее БФОС | Эпоксиполиизоцианатное связующее ЭП-2МК |
| 3 | Технический документ | ТУ 1-596-36-98 | ТУ 1-596-36-98 | ТУ 1-596-36-98 | ТУ 1-596-113-81 | ТУ 1-596-66-86 |
| 4 | Концентрация связующего в первой ванне, % | 5 | 10 | 10 | 20 | 5 |
| 5 | Концентрация связующего во второй ванне, % | 49 | 51 | 50 | 65 | 49 |
| 6 | Температура инфракрасного излучения, °С | 70 | 70 | 70 | 76 | 67 |
| 7 | Температура связующего, °С | 30 | 30 | 30 | 25 | 25 |
| 8 | Частота ультразвука, кГц | 20,5 | 19,5 | 19,5 | 20,0 | 20,5 |
| 9 | Амплитуда колебаний, мкм | 2,0 | 1,5 | 1,5 | 2,0 | 3,0 |
| 10 | Мощность ультразвуковых колебаний, Вт | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 |
| 11 | Скорость пропитки, сушки, м/мин | 1,0 | 0,65 | 0,5 | 1,5 | 1,4 |
| 12 | Температура в камере сушки, °С | 90 | 90 | 90 | 110 | 70 |
| 13 | Температура на каландрах, °С | 90 | 90 | 90 | 110 | 70 |
| 14 | Зазоры на каландрах, мм | 0,25-0,33 | 0,5-0,55 | 0,47-0,5 | 0,5-0,8 | 0,15-0,25 |
| Таблица 2 | |||||
| ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕПРЕГА | |||||
| № п/п | Наименование и характеристика материала наполнителя | Требования ТУ | Фактические показатели | ||
| массовая доля связующего, % | массовая доля летучих веществ, % | массовая доля связующего, % | массовая доля летучих веществ, % | ||
| 1 | Грапан-27 (Россия). Ровинг на основе углеродных волокон с количеством филаментов 12000 и линейной плотностью 740 текс | 41-47 | не более 2 | 42-43 | менее 1,5 |
| 2 | Ткань 4510 на основе углеродного волокна по основе и стекловолокна по утку | 39-46 | не более 3 | 42-43 | менее 1,5 |
| 3 | Ткань 3692 на основе углеродных волокон по основе и утку | 38-42 | не более 3 | 40-41 | менее 1,5 |
| 4 | Стеклоткань ТР-0,56-117А | 44-50 | не более 5 | 45-46 | менее 2 |
| 5 | Ткань СВМ на основе полимерного волокна | 42-52 | не более 4 | 45-46 | менее 2 |
1. Способ изготовления препрега, включающий первую пропитку наполнителя в ванне раствором полимерного связующего, сушку пропитанного наполнителя, вторую пропитку наполнителя в ванне раствором того же полимерного связующего, сушку пропитанного наполнителя в камере сушки, отличающийся тем, что первую пропитку наполнителя проводят в первой ванне 5-20%-ным раствором полимерного связующего, подогретого до температуры 25-30°С, со скоростью пропитки 0,45-1,5 м/мин при воздействии ультразвуковыми волнами на наполнитель, сушку наполнителя после первой пропитки осуществляют инфракрасным излучением при прохождении его со скоростью 0,45-1,5 м/мин, вторую пропитку наполнителя во второй ванне осуществляют 49-65%-ным раствором того же полимерного связующего, подогретого до температуры 25-30°С, со скоростью пропитки 0,45-1,5 м/мин, при воздействии ультразвуковыми волнами, а сушку наполнителя после второй пропитки проводят при прохождении его со скоростью 0,45-1,5 м/мин через горизонтальную камеру сушки при температуре ниже температуры желатинизации связующего не менее чем на 20°С, после чего подсушенный наполнитель пропускают через систему тянущих обогреваемых и охлаждаемых каландров.
2. Способ изготовления препрега по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют жгуты из углеродных, стеклянных, органических волокон или их любых сочетаний.
3. Способ изготовления препрега по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют ткани различного переплетения, выполненные из жгутов на основе углеродных, стеклянных, органических волокон или их любых сочетаний.
4. Способ изготовления препрега по п.2 или 3, отличающийся тем, что воздействие ультразвуковых волн при пропитке наполнителя раствором полимерного связующего осуществляют перпендикулярно расположению волокон в жгуте при непосредственном касании наполнителем волновода, расположенного в пропиточной ванне, при температуре в зоне пропитки не выше 60°С.
5. Способ изготовления препрега по п.1, отличающийся тем, что параметры воздействия ультразвуковых волн при пропитке наполнителя раствором полимерного связующего имеют следующие величины: частота ультразвука 19,5-20,5 кГц, амплитуда колебаний 1,5-3,0 мкм, мощность ультразвуковых колебаний 300 Вт.
6. Способ изготовления препрега по п.1, отличающийся тем, что сушку наполнителя инфракрасным излучением после первой пропитки проводят при температуре, не превышающей температуру кипения растворителя полимерного связующего.
7. Способ изготовления препрега по п.2, отличающийся тем, что жгут перед второй пропиткой пропускают через раскладочное поворотное устройство таким образом, чтобы расстояние между центрами жгутов при раскладке на поворотном устройстве составляло ширину раскатанного жгута.
