Производство стеклопластиков

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛОПЛАСТИКОВ

Изготовление изделий методом контактного формования

Контактное формование — это возможность изготовления композиционных изделий любых форм, размеров и сложности при сравнительно невысоких капитальных затратах. Данная технология требует наличия только одной матрицы, позитивной или негативной, в зависимости от того какая сторона формуемого изделия должна быть гладкой.

Контактное формование является процессом холодного отверждения, поэтому производимым изделиям может потребоваться несколько часов для полного отверждения. Реакцию отверждения можно ускорить путем умеренного нагревания формуемого изделия, при этом необходимо следить за тем, чтобы повышение температуры происходило медленно во избежание испарения стирола или образования вздутий.

Существует три основных метода контактного формования: ручное ламинирование, ламинирование методом напыления и формование с использованием пропиточных валиков.

Нанесение гелькоута

Долговечность композитных изделий в значительной степени зависит от качества внешней поверхности, защиту которой обеспечивает гелькоут. Поскольку гелькоут является очень важной и наиболее уязвимой частью ламината, то особое внимание необходимо уделять его составу и технологии нанесения.

Чрезвычайно важно обеспечить тщательное перемешивание гелькоута, особенно при добавлении катализатора, т.к. недостаточное диспергирование катализатора приводит к неравномерному отверждению гелькоута, что может ослабить его физические свойства. Плохое перемешивание пигмента приводит к возникновению поверхностных дефектов, ухудшающих внешний вид формуемого изделия, поэтому рекомендуется по возможности использовать предварительно окрашенные гелькоуты. Использование низкоскоростных механических мешалок позволяет минимизировать любые возможные проблемы, связанные со смешением.

Гелькоут может наноситься кистью или распылением. Последние усовершенствования технологий изготовления гелькоута и оборудования для распыления привели к заметному росту использования распылительных методов нанесения. Независимо от способа нанесения рекомендуется использовать гелькоуты, обладающие специально предназначенными для конкретного метода реологическими свойствами.

Для достижения оптимального уровня качества необходимо контролировать толщину нанесения гелькоута в пределах 0,4–0,5 мм. Ориентировочно, 450-600 г смеси гелькоута на м² обеспечит получение требуемой толщины. Нанесение гелькоута слишком тонким слоем может привести к неполному его отверждению и проступанию структуры армирующего волокна сквозь ламинатную основу. Нанесенный тонким слоем гелькоут также подвержен воздействию растворителя, выделяющегося из смолы, используемой в последующем слое ламината, что может привести к образованию складок на его поверхности. Если гелькоут нанесен слишком толстым слоем, то он может расколоться или растрескаться и является более чувствительным к ударным повреждениям, особенно с обратной стороны ламината. Поверхность неравномерно нанесенного гелькоута отверждается с различной скоростью. Это является причиной возникновения напряжений в смоле, могущих привести к растрескиванию или, в случаях с окрашенными гелькоутами, к неоднородности наружной поверхности и водным разводам.

Для достижения гелькоутом оптимальных рабочих характеристик крайне необходимо полное, равномерное его отверждение, в связи с этим особую важность представляет контролирование систем и условий отверждения гелькоута. Температура рабочего помещения и материала должна поддерживаться, как минимум, на уровне 18°С. В качестве катализатора всегда следует использовать перекись метилэтилкетона средней степени химической активности в количестве 2%. В глубоких матрицах отверждению гелькоута могут препятствовать скопления испаряющихся паров стирола. Следовательно, для обеспечения равномерного загустевания гелькоута необходима экстракция данных паров.

Как только гелькоут в достаточной степени отвердился, следующим шагом процесса контактного формования является нанесение ламинатной основы. Простым тестом на определение степени отверждения гелькоута является легкое прикосновение чистым пальцем к его поверхности. Если поверхность на ощупь немного липкая, но палец остается чистым, то это значит, что гелькоут готов к ламинированию, к которому необходимо приступить в течение пяти часов.

В случае повреждения гелькоут-слоя изделия при его отделении от формы необходимо произвести ремонт. Перед ремонтом поврежденный участок обрабатывается шлифовальной бумагой (зерно 400), обезжиривается ацетоном, просушивается. Затем на этот участок наносится тонкий слой гелькоута. После отверждения (не менее, чем через 6 часов) отремонтированный участок обрабатывается шлифовальной бумагой сначала зерно 400, затем зерно 800 и в завершение зерно 1000. Процесс шлифовки проводят мокрым способом с водой. Затем обработанные места полируются до блеска с помощью войлока или фетра.

Ручное ламинирование

Рубленый стекломат — армирующий материал, наиболее часто используемый в контактном формовании. Подготовка «комплекта» армирующих материалов, специально раскроенных по форме используемой матрицы, экономит время и снижает количество отходов.

Требуемое для изготовления ламината количество смолы можно рассчитать путем взвешивания предполагаемого к использованию армирующего материала. Для рубленого стекломата отношение смолы к стекловолокну должно находиться в пределах от 2,3:1 до 1,8:1 (содержание стекла 30-35%). Для тканого ровинга рекомендуется соотношение 1:1 (содержание стекла 50%), тогда как отношение смолы к стекловолокну при использовании комбинированных материалов различно и зависит от структуры отдельного вида используемой ткани.

После того, как гелькоут в достаточной степени отвердился, наносится, как можно более равномерно, обильный слой смолы. Затем крепко прижимается и уплотняется кистью или валиком первый слой стекломатериала. Это дает смоле возможность пропитать стекломат и растворить скрепляющее волокна связующее, после чего армирующий материал легко принимает форму матрицы. Как только первый слой стекломата полностью пропитается, то, при необходимости, перед нанесением последующих слоев армирующего материала, добавляется дополнительное количество смолы. Важно, чтобы первый слой не содержал пузырьков с воздухом, поскольку любое попадание воздуха непосредственно между гелькоутом и последующим слоем ламината может привести к вспучиванию поверхности, особенно, если в течение периода своей эксплуатации формуемое изделие будет подвергаться воздействию тепла или воды.

Армирующий материал пропитывается с помощью кисти, валиков из мохера или полиэфирного волокна. При использовании кисти необходимо производить точечные движения, потому что любые перемещения кисти в боковом направлении приводят к смещению волокон и нарушению произвольного характера их расположения, что приводит к уменьшению срока эксплуатации изделия. Использование валиков эффективно при работе с крупногабаритными матрицами. Процесс уплотнения ламината более эффективен, если он производится с помощью валиков. С этой целью было разработано несколько их видов. Существуют металлические валики с продольным и поперечным ребром, угловые валики. Из них наиболее эффективным для удаления попавших в смолу пузырьков воздуха оказалось использование валиков с поперечным ребром.

Последующие слои смолы и армирующего материала наносятся до получения требуемой толщины, при этом необходимо обеспечить тщательную пропитку и надлежащее уплотнение каждого слоя. Во избежание скопления избыточного количества выделяемого при ламинировании тепла рекомендуется единовременно наносить не более четырех слоев смолы и армирующего материала. Высокие экзотермические температуры могут привести к растрескиванию гелькоута, преждевременному высвобождению изделия из матрицы, деформации или потемнению ламината. При изготовлении ламинатов большой толщины после нанесения четырех слоев, перед нанесением последующих, ламинат необходимо выдержать для выделения тепла, после чего охладить. Продолжительных временных задержек между нанесением слоев, однако, следует избегать, за исключением случаев использования смол с длительным «периодом созревания». «Период созревания» — термин, используемый для описания периода времени между загустеванием и отверждением смолы, в течение которого она находится в размягченном, высокоэластичном состоянии. В таком состоянии ламинат может быть легко подогнан по форме матрицы, а обрезная кромка заделана в матрицу для ускорения данного процесса.

Упрочнение формуемого изделия достигается введением в ламинат ребер жесткости. Момент введения зависит от формы, толщины и конечного назначения изделия. В качестве общего руководства рекомендуется размещать их непосредственно перед нанесением последнего слоя армирующего материала. Элементы, образующие ребра жесткости, покрываются армирующим матом и тщательно пропитываются смолой. После чего, для придания обратной поверхности однородности, на всю поверхность формуемого изделия может наноситься заключительный слой армирующего материала.

Иногда в качестве фиксирующих или опорных точек и т.д. используются металлические вставки, вводимые на этапе ламинирования. Если предполагается подвергать ламинат воздействию значительных нагрузок, то толщина формуемого изделия, начиная с места вставки, должна постепенно уменьшаться в целях распределения нагрузки. Металлические вставки необходимо размещать как можно ближе к середине ламината, а поверхность контакта ламината со вставкой должна быть по возможности максимально большой.

Если для покрытия поверхности матрицы необходимо соединить между собой части армирующего материала, то может использоваться стыковое соединение или соединение внахлест. Стыковые соединения необходимо производить с особой осторожностью, таким образом, чтобы не оставалось расстояния между двумя краями материала. Соединения внахлест не должны перекрываться более чем на 25 мм, если иное не требуется в целях повышения жесткости. Сделать места соединения рубленого стекломата менее заметными можно путем распределения излишнего количества мата, находящегося по обе стороны соединения, с помощью небольших круговых движений кистью вдоль линии стыка.

Обратная поверхность формуемого изделия может быть довольно шероховатой, особенно, если в качестве армирующего материала применяется рубленый стекломат. Улучшить качество поверхности можно одним из двух способов: использованием в качестве последнего слоя ламината поверхностной ткани для получения более гладкой обогащенной смолой поверхности, либо нанесением на отвержденную поверхность специального жидкого покрытия.

Дополнительное преимущество использования жидкого покрытия заключается в возможности его окрашивания.

Извлечение из матрицы

При правильном нанесении разделительного состава извлечение из матрицы производится довольно легко. Края формуемого изделия отделяются от матрицы с помощью специальных пластиковых клиньев, затем производится выемка изделия из матрицы, как правило, путем непосредственного вытаскивания. При выемке отливок более сложных форм извлечению способствует использование сжатого воздуха между матрицей и отливкой; отверстия для подачи сжатого воздуха могут встраиваться в матрицу на этапе изготовления. Корпуса лодок и отливки схожей формы могут отделяться проточной водой, подаваемой слабым напором между формуемым изделием и матрицей, при условии, что в качестве разделителя использовался водорастворимый разделительный состав. При работе с утолщенными крупногабаритными матрицами может потребоваться произвести несколько аккуратных ударов резиновым молотком по наружной поверхности матрицы. Эта мера, однако, должна применяться в крайнем случае, поскольку может привести к растрескиванию поверхности матрицы.

При использовании разъемной матрицы для разъединения ее гнезд могут применяться винтовые или гидравлические зажимы. Фланцы матрицы должны быть прочно армированы. В целях обеспечения равномерного приложения силы к поверхности фланцев необходимо использовать несколько зажимов.

Обрезка и окончательная обработка поверхности

Продолжительность производственного цикла может быть снижена, если кромка формуемых изделий обрезается на этапе, когда смола еще окончательно не отвердилась. Данную технологическую операцию лучше всего производить с помощью острого кромкообрезного ножа, который необходимо держать под прямым углом к ламинату, с этой целью могут также использоваться ножницы. Края матрицы, при правильном их армировании, могут использоваться в качестве направляющей линии обрезки. На данном этапе, однако, следует действовать особенно осторожно, чтобы не деформировать и не деламинировать формуемое изделие.

Полностью отвержденные композиционные ламинаты с трудом поддаются резке или машинной обработке с помощью стальных режущих инструментов. В настоящее время для механической обработки крупногабаритных композитов применяются машины для водоструйной и лазерной резки, для проведения более мелких технологических операций используется целый ряд ручных алмазных и карбидных резцов, дрелей. Большинство вышеперечисленных инструментов работает от источника сжатого воздуха, что делает безопасным их использование на производственном участке.

По завершении всех операций по обрезке, перед началом шлифования и полировки, с поверхности формуемого изделия необходимо удалить все следы разделительных составов. Если изделие подлежит дальнейшему окрашиванию, то необходимо избегать использования разделителей на основе воска, поскольку они с трудом поддаются удалению без помощи наждачной бумаги для мокрого и сухого шлифования.

В сочетании с композиционными материалами может использоваться большинство лакокрасочных систем, однако для покрытий горячей сушки перед нанесением краски рекомендуется провести дополнительное отверждение формуемого изделия при температуре 80ºС.

Ламинирование с использованием валиков и пропиточных машин

Валковое пропиточное оборудование предназначено для пропитки активированной смолой армирующих стекломатериалов, таких как рубленый стекломат, стеклоткань или тканые ровинги. Смола содержится в контейнере и по мере необходимости подается насосом к валковой головке.

При использовании данного метода сравнительно легко контролировать соотношение смолы и стекловолокна в ламинате, кроме того, в ходе ламинирования в атмосферу выбрасывается значительно меньшее количество стирола.

Использование валиков пропиточных машин идеально подходит для изготовления крупногабаритных изделий, таких как строительные панелей и т.д.