Файл: Байков, М. И. Оборудование и технология для изготовления конструкций из стеклопластика напылением обзор.pdf

1151], а по исследованиям института пластмасс в Дельфте (ФРГ) даже несколько прочнее [152]. Это объясняется тем, что в случае ручной выклейки стеклохолстов иногда встречаются непропитанные связующим участки сухого стекловолокна, при напылении же все волокна обволакиваются связующим еще в процессе напыления. Как показали испытания [153], стеклопла­ стики на основе стеклохолстов обычно содержат от 23 до 28% стекла, а напыленный стеклопластик — от 33 до 35%, причем легко можно получить содержание стекла до 37—40%, а при уплотнении, как указывают [151], — до 50—60%.

В то же время напыленный стеклопластик отличается от от­ формованных на основе стеклохолстов и стеклотканей материа­ лов тем, что в нем отсутствуют стыки армирующего стеклонаполнителя, которые, как указывают, даже в случае равномер­ ного разноса их по всей площади, могут заметно уменьшать и прочность стеклопластика на растяжение.

Другой особенностью напыленного стеклопластика и стекло­ пластиков на основе стеклохолстов является небольшая чувстви­ тельность к концентрациям напряжений и низким темпера­ турам.

Отмечается [154], что стеклопластик на основе рубленого сте­ кловолокна при содержании стекла 40% обладает большей остаточной прочностью после проведения усталостных испыта­ ний на базе 104 циклов, по сравнению с тканевым стеклопла­ стиком, имеющим содержание стекла 50%• В то время, как у первого потеря прочности на растяжение составила только 10%, потеря прочности тканевого стеклопластика составила 30%.

Имеются также сообщения [155]—[157] о меньшей потере прочности у стеклопластиков с увеличенным содержанием свя­ зующего. Это характерно для напыленного стеклопластика в условиях воздействия водной среды и химических реагентов. В работе [158] отмечается постоянство прочностных свойств сте­ клопластика на основе стеклохолстов в условиях длительных атмосферных воздействий.

Прочностные характеристики полиэфирного стеклопластика на основе рубленого стекловолокна и на основе стеклотканей отличаются физико-механическими характеристиками на рас­ тяжение [159]. Это, возможно, объясняется отчасти тем, что сте­ клопластики на основе стеклотканей обычно испытываются по направлениям их наибольшей прочности (ориентации армирую­ щего стекловолокна) и тем, что стеклопластик на основе руб­ леного стекловолокна имеет более низкое стеклосодержание.

В табл. 3 сравниваются прочностные характеристики напы­ ленного стеклопластика и стеклопластика на основе рубленых стеклохолстов с характеристиками стекловолокнистого армиро­ ванного материала (СВАМ) и ориентированного стеклопласти­ ка на основе стеклоткани.

44

Таблица 3

Сравнительные характеристики стеклопластиков различных типов

Влияние армирующих материалов и связующих на свойства напыленных стеклопластиков

Как известно, стеклоармирующие материалы, применяемые при производстве стеклопластиков, можно разделить на два ви­ да: тканые и нетканые. К нетканым относятся волокна, нити и жгуты (ровинги), а также рубленые стекложгуты и холсты на их основе; к тканым — все стеклопластики различных типов пере­ плетения [102].

Стеклоткани получают в результате дорогостоящей текстиль­ ной переработки стекловолокна.

Как указывается [150] с ссылкой на ряд работ, текстильные процессы приводят к значительному снижению прочности воло­ кон в готовой стеклоткани. По сравнению с прочностью элемен­ тарного стекловолокна прочность готовой стеклоткани ниже приблизительно на 40%. Во-первых, вследствие неравномерного натяжения волокон теряется возможность одновременной рабо­ ты крученых и переплетенных нитей. Во-вторых, в процессе тек­ стильной переработки частично происходит механическое раз­ рушение такого хрупкого материала как стекловолокно, и его прочность снижается от действия атмосферной влажности в процессе изготовления тканей, несмотря на применение защит­ ных замасливателей.

Наконец, структура стеклоткани со многими перегибами и переплетениями при нагрузках, особенно при сжатии, приводит

45-

к появлению больших дополнительных изгибающих и контакт­ ных напряжений [150]. Это полностью подтверждается резуль­ татами исследований [141].

Использование нетканого стекловолокна, например, при из­ готовлении материалов типа СВАМ, АГ-4С и ряда изделий ме­ тодами намотки или протяжки обеспечивает более полное ис­ пользованиепервоначальной прочности элементарного стекло­ волокна.

Изготовление изделий методами напыления или контактного формования на основе применения рубленых стеклохолстов так­ же обеспечивает более эффективное использование высокой ис­ ходной прочности нетканого материала в виде стекложгутов.

Для того чтобы улучшить качество изделий путем снижения воздушных включений, для напыления используют специальные рассыпающиеся стекложгуты. Отечественная марка стекложгута для напыления ЖСР 60/3 обработана поливинилацетатным замасливателем № 3, который содержит винилтриэтоксисилан, волан и другие добавки, обеспечивающие стекложгуту гидрофобность и хорошую смачиваемость связующим.

В целях качественного изготовления стеклопластика и обес­ печения высоких физико-механических свойств материала, сте­ кложгуты для напыления должны отвечать следующим требо­ ваниям:

легко разрезаться; свободно рассыпаться на отдельные пряди;

быстро пропитываться (смачиваться) связующим; хорошо прилегать к форме на закруглениях и в углах.

Многие зарубежные фирмы выпускают специальные стекло­ жгуты для напыления. Так, в Англии выпущена улучшенная марка стекложгута для напыления ЕСР 1032 [163]. По сравне­ нию с ранее выпускавшимися стекложгутами, он лучше режет­ ся, что увеличивает срок службы ножей; после прикатки пряди полностью распадаются на волокна и плотно прилегают к по­ верхности формы, благодаря чему резко уменьшается пори­ стость и улучшается качество напыленного стеклопластика.

Поскольку основную нагрузку в стеклопластике несет арми­ рующее волокно, прочность стеклопластика до определенного предела [143] увеличивается почти прямо пропорционально ко­ личеству стекловолокна, что особенно наглядно видно на при­ мере ориентированного стеклопластика СВАМ, у которого воз­ растание прочности до 90—95%-кого (по массе) стеклосодержания характеризуется прямой линией (рис. 29) [164], а макси­ мум прочности находится еще выше. Другие армирующие мате­ риалы с менее плотной упаковкой стекловолокна имеют макси­ мум прочности при более низком стеклосодержании. Например, при использовании стеклотканей из непрерывного стекловолок­ на максимум прочности находится приблизительно на уровне 70% содержания стекла (по массе), а при использовании руб­

46

леного стекловолокна — 55% по массе [141]. Эти максимальные значения достигаются при использовании давления при фор­ мовании. В случае же ручного контактного формования обычно процент стеклосодержания составляет для материала на основе стеклотканей 50% и на основе стеклохолстов — 30%, а при ме­ тоде напыления — 35%.

В последнее время при изготовлении стеклопластиков мето­ дом напыления все более широко используют установки безвоз­ душного распыления, что позволяет без затруднений получать

Рис. 29. Влияние содержания стеклонаполнителя на прочность однонаправлен­ ного стеклопластика.

------------ экспериментальная зависимость;

------------зависимость, вычисленная по формулам.

стеклосодержание 36—40% при изготовлении корпусов парус­ ных и моторных лодок [164].

Однако не всегда следует стремиться к увеличенному содер­ жанию стекла, так как это не только приводит к увеличению стоимости исходных материалов и трудоемкости изготовле­ ния [148], но в некоторых случаях нежелательно ввиду мень­ шей долговечности изделий в условиях внешних воздействий.

Длина стекловолокна наряду с содержанием стекла являет­ ся одним из важных факторов прочности стеклопластиков. Уве­ личение длины волокна до 100 мм заметно повышает прочность стеклопластика на растяжение [143], как это видно из диаграм­ мы (рис. 30), приведенной в работе [150].

В случае хрупкой смолы при растяжении сначала происхо­ дит образование мелких трещин перпендикулярно длине образ­ ца, а затем его разрушение. Это происходит оттого, что удли­ нение смолы меньше удлинения волокон. Следовательно, очень

4 7

важно, чтобы удлинение связующего было больше, чем арми­ рующего стекловолокна [141].

При армировании термопластов даже короткими стеклово­ локнами (30% по массе) достигается увеличение вдвое прочно­ сти стеклопластика при разрыве, а при использовании в таком же процентном отношении более длинного (до 50 мм) стекло­ волокна для армирования термореактивных смол — только в 1,5 раза [165]. Поэтому рекомендуется [166] в стандартную по­ лиэфирную смолу добавлять до 15% эластичной смолы, что уве­ личивает прочность стеклопластика на растяжение и сопротив­ ление знакопеременным нагрузкам и может также [143], [167]

Рис. 30. Зависимость прочности стеклопласти­ ка от ориентации и длины стекловолокна.

/ — однонаправленное расположение волокна; 2 — хаотичное расположение волокон.

повысить ударную прочность стеклопластика с 80—150 до 200— 250 кгс • см/см2.

Наряду с механическими характеристиками большую роль играют физические свойства связующего. Для судостроения важное значение имеют стойкость связующего в морской воде и химических средах, а также теплостойкость. В работе [168] приводятся результаты исследований по выбору смол для судо­ строения. Наилучшими признаны эпоксидная и ортофталевая полиэфирная смолы, для кислотных сред — изофталевые и ортофталевые, для щелочных — эпоксидные смолы.

Смолы для напыления должны обладать пониженной вяз­ костью. За рубежом обычно разбавляют полиэфирные ненасы­ щенные смолы моностиролом, причем в стандартную смолу с содержанием моностирола 30% можно добавлять еще 10—15% его [143]—[151], в результате чего вязкость смолы значительноснижается. Это содействует лучшей пропитке и уменьшает ко­ личество воздушных включений при изготовлении стеклопласти­

48

ка методом напыления и позволяет получать несколько больший процент стекловолокна.

В то же время [169], [170] такое увеличение содержания сти­ рола в смоле почти не влияет на механические свойства, теп­ лостойкость и водостойкость стеклопластика [169], [170]. Усадка смолы несколько увеличивается, приближаясь к объемной усад­ ке чистого моностирола (13,6%).

Разработаны [171] отечественные маловязкие смолы с увели­ ченным содержанием стирола (до 40—50%), причем эти смолы содержат в полимерной цепи третичный азот (азотосодержащие полиэфирные ненасыщенные смолы —АПН-1 и другие), так что эти смолы могут отверждаться в присутствии лишь одного ини­ циатора перекисного типа (перекись бензоила); отверждение может происходить при пониженных температурах (3—5°С). Кроме того, данные смолы позволяют получать стеклопластик с улучшенными физико-механическими свойствами.

Так как процесс напыления стеклопластика сопровождается распылением связующего и, следовательно, выделением токсич­ ных летучих веществ, желательно наряду со специальным обо­ рудованием для безвоздушного распыления мелкими каплями применять смолы, содержащие малотоксичные мономеры.

За рубежом [172] для создания таких смол используют аллиловые эфиры (диаллилфталат и др.), в Советском Союзе раз­ работаны малотоксичные полиэфиракрилатные смолы [173] в частности, ненасыщенная полиэфирная смола НПС-609-21М и другие с ТГМ-3 в качестве мономера. Эти смолы ввиду их по­ ниженной токсичности широко используются в судостроении, в том числе и при напылении. Смола НПС-609-21М использу­ ется при серийной постройке рыбодобывающих судов типа

«Восток» [174].

Однако, несмотря на хорошие качества этой смолы для из­ готовления изделий методом напыления, в дальнейшем жела­ тельно было бы модифицировать ее с целью уменьшения вяз­ кости и увеличения склонности к пластической деформа­ ции [175].

Как указывалось, кроме обычно используемого метода на­ пыления и пропитки рубленого стекложгута применяется напы­ ление нерубленого, т. е. непрерывного стекложгута. Этот метод разработан американской фирмой «Фиберлей» [41]. Как сооб­ щается [176], особенностями данного метода является использо­ вание более мягких сортов стекложгута и увеличенный процент стеклосодержания в стеклопластике.

Изотропность и монолитность напыленных стеклопластиков

Как известно, неориентированное расположение стеклянных волокон обеспечивает равнопрочность стеклопластика в плоско­ сти листа [171]. Поэтому напыленные стеклопластики или стек-