Современные технологии переработки полимерных композиционных материалов, получаемых методом пропитки расплавным связующим

Для реализации работ, запланированных в соответствии со Стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года [1, 2], в частности, касающихся разработки Стратегии развития композиционных и функциональных материалов, необходимо внедрять принципиально новые технологии получения ПКМ [3].

Современное пропиточное оборудование для получения препрегов ПКМ по расплавной технологии достаточно широко представлено на рынке. Основными производителями такого оборудования являются компании Cavitec (Швейцария), Century Design (США), Litzler (Германия), Microsam (Македония), Webprocessing (Англия), Coatema (Германия) и др. У оборудования, производимого этими фирмами, есть свои особенности, между тем основной принцип работы у них общий.

На рис. 1 представлена общая условная схема, отображающая принцип пропитки расплавным связующим [4]. Она разделена на два процесса: первый – нанесение расплава связующего на подложку, второй – собственно процесс пропитки наполнителя путем совмещения его с пленкой связующего.

В случае, когда эти процессы в пропиточной установке реализованы в две стадии на отдельно стоящих устройстве получения пленки связующего и устройстве собственно пропитки (импрегнирования), такой процесс называют пропиткой в
offline-режиме [5].

В том случае, когда эти процессы осуществляются одновременно на одной машине, включающей в себя и устройство получения пленки связующего, и устройство пропитки, процесс пропитки осуществляется по online-режиму [6].

Рисунок 1. Общая условная схема, отображающая принцип пропитки расплавным связующим

Рисунок 2. Общая схема пропитки по оffline-режиму

Преимущество online-режима очевидно – процесс пропитки идет быстрее, нет потребности в хранении, транспортировке и съеме/установке катушек с пленкой связующего [7]. Недостатками этого процесса являются более высокая сложность настройки процесса изготовления препрега, сложность обслуживания и высокая стоимость такого оборудования.

Offline-режим проще по реализации, но занимает больше времени по сравнению с online-режимом. Оffline-режим в основном применяют компании Cavitec и Century Design; общая схема режима представлена на рис. 2.

Помимо различия между online- и offline-процессами пропитки [8], существуют различия и в способе совмещения наполнителя с пленкой связующего. Традиционно для этих целей применяют метод последовательного каландрирования. Он заключается в том, что наполнитель и две подложки с нанесенной на них пленкой связующего подаются в узел каландров [9], состоящий, как правило, из 3–4 пар массивных металлических валов, зазор между которыми последовательно уменьшается, таким образом пленка связующего вдавливается в наполнитель (рис. 3) [10].

Рисунок 3. Метод последовательного каландрирования (уплотнения)

Однако для наполнителей на основе средне- и высокомодульных волокон – особенно в случае использования однонаправленных жгутовых наполнителей – применение каландрового метода совмещения пленки связующего с наполнителем не рекомендуется, так как это может повредить волокно и существенно снизить уровень физико-механических свойств пластика [11].

Для того чтобы не допустить повреждения наполнителя в процессе совмещения с пленкой связующего, разработан s-wrap метод совмещения [12]. Он заключается в том, что наполнитель и две подложки с нанесенной на них пленкой связующего подаются в специальное устройство, состоящее из массивных металлических валов, где, проходя через тракт машины с натяжением и огибая эти валы, пленка связующего вдавливается в наполнитель (рис. 4) [13].

Пропиточное оборудование, предназначенное для получения препрегов по расплавной технологии, обладает целым рядом преимуществ по сравнению с растворными пропиточными машинами [14]: при работе с ними не используются вредные растворители, не требуется установка громоздких сушильных печей, при этом обеспечивается высокая точность объемно-весовых характеристик препрегов (отклонение по содержанию связующего при использовании расплавной технологии – до ±1% (по массе), при использовании растворной – до ±6% (по массе)).

Точность объемно-весовых характеристик препрегов при использовании расплавной технологии обеспечивается прецизионным исполнением валов наносящих устройств пропиточных машин (отклонение геометрических размеров валов составляет порядка ±5 мкм) [15].

Рисунок 4. Схема s-wrap метода совмещения связующего с наполнителем

Использование для нанесения связующего на подложку системы из двух вращающихся навстречу друг другу металлических валов, выставленных с определенным зазором, также увеличивает точность получаемого препрега по сравнению с системой нанесения, состоящей из металлического вала и ответного ракельного ножа (вязкость связующего довольно высокая: ~50 Па∙с и более, поэтому нож испытывает более значительные деформации по сравнению с ответным валом; также равномерность прогрева у системы «вал–ракельный нож» хуже) [16].

Все это позволяет снизить коэффициент вариации объемно-весовых и прочностных характеристик ПКМ, повысить коэффициент реализации физико-механических характеристик ПКМ на величину до 20% и более, а также существенно снизить коэффициент запаса прочности при расчете конструкций из ПКМ [17].