close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Технология получения аналога углеродной однонаправленной ленты уол-300-2 препрега на ее основе и определение механических свойств полученных углепластиков..pdf

код для вставкиСкачать
УДК 678
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ АНАЛОГА УГЛЕРОДНОЙ ОДНОНАПРАВЛЕННОЙ ЛЕНТЫ
УОЛ-300-2, ПРЕПРЕГА НА ЕЕ ОСНОВЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ПОЛУЧЕННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ
О.А. Караева, К.С. Габриельс, Д.В. Полухин, А.М. Кудрин
Получен аналог углеродной однонаправленной ленты УОЛ-300-2 с использованием углеродных нитей TOHO
TENAX 3К. Отработаны технологические режимы получения препрегов на основе аналога ленты УОЛ-300-2 с применением растворного эпоксидного связующего ЭДТ-69Н. Проведенный химический анализ выявил высокое качество препрега. Физико-механические испытания показали, что образцы ПКМ на основе «аналог УОЛ-300-2» + «ЭДТ-69Н» обладают высокой стабильностью прочностных свойств
Ключевые слова: углеродная лента, препрег, полимерные композиционные материалы (ПКМ), физикомеханические свойства
Введение
Последние годы характеризуются всплеском
интереса к углепластикам, которые, благодаря высокой прочности и низкой удельной плотности, по
сравнению с металлическими конструкциями,
находят широкое применение в авиастроении, автомобилестроении и других областях производства .
Среди довольно скудного разнообразия углеродных
лент, используемых в качестве наполнителей углепластиков, наибольшее распространение в России получила углеродная однонаправленная лента
конструкционного назначения УОЛ-300-2 на основе
углеродных крученых нитей отечественного производства УКН 3К или УКН 6К. К недостаткам углеродных нитей УКН можно отнести низкие прочностные характеристики и высокую стоимость, что,
в свою очередь, приводит к высокой стоимости углеродных лент на их основе. В то же время западные аналоги углеродных нитей УКН обладают
большей жесткостью, значительной прочностью
при растяжении и сжатии, и существенной дешевизной по сравнению с отечественными нитями.
Целью настоящей работы являлось получение
аналога углеродной однонаправленной ленты УОЛ300-2, с использованием высокомодульных нитей
иностранного производства на примере нитей
TOHO TENAX 3К, отработка технологических режимов изготовления препрегов на основе аналога
УОЛ-300-2 и растворного эпоксидного связующего
типа ЭДТ-69Н [1], а также исследование механических свойств полученных образцов полимерных
композиционных материалов (ПКМ).
Методика эксперимента
В основе получения аналога углеродной однонаправленной ленты УОЛ-300-2 лежит изготовление текстильных структур полотняного переплеКараева Оля Анатольевна – ВГТУ, канд. физ.-мат. наук,
мл. науч. сотрудник, e-mail: olgakaraeva9@mail.ru
Габриельс Константин Сергеевич – ВГТУ, инженер, e-mail:
gabriels_k@mail.ru
Полухин Денис Вадимович – ВГТУ, инженер, e-mail:
karapusha.89mail.ru
Кудрин Алексей Михайлович – ВГТУ, зав. лабораторией, e-mail:
nvl.pkm@gmail.com
тения углеродных нитей TOHO TENAX 3К и стеклянных нитей ВМПС-8, расположенных друг относительно друга в двух взаимно перпендикулярных
направлениях. Нити, идущие вдоль ленты, называют нитями основы, а нити, идущие поперек ленты −
нитями утка. Принципиальная схема выработки
углеродных однонаправленных прекурсоров на
примере аналога УОЛ-300-2, с использованием
ткацкой линии DORNIER, показана на рис. 1.
Рис. 1. Аппаратная схема ткацкой линии DORNIER
Нити основы TOHO TENAX 3К (2), сматываемые с бобин на шпулярнике (1), проходили через
концентрирующее бердо (3), огибали натяжной барабан товарного регулятора (4), скало (5) и принимали горизонтальное положение. Далее, они проходили через глазки галев ремизных рам (7), перемещающих нити основы в вертикальном направлении
для образования зева. В зев рапирой (10) вводилась
уточная нить ВМПС-8, которая прибивалась к
опушке ленты бердом (8), совершающим возвратно-поступательное движение. У опушки ленты нити
основы, переплетаясь с нитью утка, образовывая
аналог УОЛ-300-2, который огибал грудницу, вальян (11), направляющие валики (14) и навивался на
товарный валик (15). Для более плотного наматывания ленты на товарный вал применялся прижимной вал (16). Стеклонити ложной кромки, отрезаемые от ленты ножницами (9) направляются в сборник (12). По краям ленты находится термоплавкая
нить Z-46, которая приплавляется к нитям основы с
помощью инфракрасной лампы (13) и предотвращает расхождение нитей основы в перпендикулярном направлении.
Поскольку аналог ленты УОЛ-300-2 составляли нити TOHO TENAX 3К с линейной плотностью
200 текс, а в качестве уточной нити была использована ВМПС-8 с линейной плотностью 56 текс, то
расчет номера берда и количества нитей основы для
полотна шириной 200 мм, при условии, что поверхностная плотность ленты 222±8 г/м2 (согласно [2]),
а плотность уточных нитей 1,4 нить/см, производилась следующим образом:
1) поверхностная плотность уточной нити:
140 нитей/м * 56/1000 г/м = 7,8 г/м2;
2) поверхностная плотность ленты без уточных нитей:
222 г/м2 - 7,8 г/м2 = 214,2 г/м2;
3) номер берда:
214,2 г/м2 / 0,2 г/м ≈ 11 нитей/см;
4) количество нитей основы для полотна 200
мм составляет 11 нитей/см*20 см = 220 нитей плюс
четыре дополнительные нити.
Таким образом, при заправке линии было использовано ткацкое бердо ZANFRINI 0,31-11-951045, позволившее при данных условиях получить
поверхностную плотность ленты 222±8 г/м2. Результаты измерение реальной плотности ленты соответствовало данному интервалу значений.
Следующим этапом в работе было получение
препрега на основе растворного эпоксидного связующего ЭДТ - 69Н и наполнителя в виде аналога углеродной однонаправленной ленты УОЛ-300-2 методом пропитки армирующего материала из раствора связующим [3]. В данном способе использовалось нанесение раствора с помощью погружения
аналога ленты УОЛ-300-2-3К в ванну с растворным
связующим и с последующим удалением растворителя из препрега путем термической обработки.
По технологической инструкции получение
препрега начиналось с проведения визуального
входного контроля и проверки нормативной документации на основные и вспомогательные материалы. Затем проводили заправку пропиточной линии
вспомогательными материалами: картонной гильзой, разделительной полиэтиленовой пленкой, как
показано на рис. 2.
Рис. 2. Технологическая схема получения препрегов на
основе УОЛ-300-2-3К / ЭДТ-69Н
Рулон аналога углеродной однонаправленой
ленты УОЛ-300-2 с нитями основы – TOHO
TENAX помещали на размотчик Р1 (На рис. 2 углеродная лента имеет обозначение М1). Далее ленту
пропускали через систему узлов пропиточной линии таким образом, чтобы проходя каландр К1 она
попадала в блок нанесения растворного связующего, где наполнитель погружался в ванну 1 с эпоксидным растворным связующим ЭДТ- 69Н. Заданная температура и вязкость связующего контролировалась с помощью станции UNICA с измерителем и регулятором вязкости GAMA, которая подключена к ванне. Из технологической схемы видно
(рис.2), что после ванны лента пропускалась через
отжимные валы, с заранее установленным зазором,
каландр К2, где происходило удаление излишков
связующего и возврат их в ванну. Зазор в каландре
К2 выставлялся исходя из расчета планируемой
концентрации связующего в растворители 50 % и
содержании связующего 41±2 % масс.
Далее пропитанная лента УОЛ-300-2-3К сразу
поступала в сушильную горизонтальную инфракрасную печь 2, которая оснащена двумя регулируемыми зонами нагрева. Основная масса растворителей в виде спиртово-ацетонной смеси удалялась в
первой зоне, а во второй зоне препрег досушивался
до допустимой остаточной концентрации летучих
веществ 1-3 % масс.
Посушенный полимерный композит закрывался с двух сторон разделительной полиэтиленовой пленкой в зоне каландра К3. После этого препрег проходил через блок контроля качества поверхностной плотности препрега QMS-12 MAHLO,
где осуществлялся непрерывный неразрушающий
контроль поверхностной плотности получаемого
материала. Предварительно на каландре К4 полиэтиленовая пленка убиралась, чтобы значения
пленки не вносили дополнительную погрешность в
измерение поверхностной плотности самого препрега. Затем на каландре К5 препрег закрывался
вспомогательным материалом М2 и сматывался в
рулон на товарном вале Нк, что в дальнейшем позволило катушку транспортировать, хранить и использовать при раскрое и выкладке без склеивания
слоев в конечном продукте.
Равномерность распределения связующего по
ширине и по длине препрега отражалась на экране
блока контроля плотности QMS-12 MAHLO в реальном времени. Прибор показывал значения суммарной плотности углеродной ленты и связующего,
включая остаточный растворитель.
Проверка препрега на входной контроль, - на
содержания летучих веществ и связующего методом экспресс – анализа [3], являлась одним основных этапов контроля качества в процессе получения материала.
Важнейшей частью анализа качества препрега
является проверка его прочностных характеристик
и пригодности для последующего использования в
промышленности. Механические испытания на
определение предела прочности при растяжении и
сжатии полимерного композиционного материала
на основе углепластика полученного из аналога
ленты УОЛ-300-2 и растворного связующего ЭДТ69Н методом прямого прессования [3], проводи-
лись на универсальных разрывных машинах семейства INSTRON.
Испытания на растяжение образцов прямоугольной формы с накладками выполнялись по методике ASTM 3039 [4] на разрывной машине Instron
5985, с максимальным усилием 250 кН до полного
разрушения образца со скоростью перемещения
подвижной рамы машины 1,3 мм/мин. при комнатной температуре.
Испытания на сжатие образцов прямоугольной формы проводились по методике ASTM 6641
[5] на разрывной машине Instron 5982, с максимальным усилием 100 кН до полного разрушения
образца со скоростью перемещения подвижной
рамы машины 1,3 мм/мин. при комнатной температуре.
Результаты и обсуждения
Параметры, полученные методом экспрессанализа, соответствуют технологическим нормам,
изначально заложенным в общих требованиях к
препрегу, и имеют следующие значения: содержание связующего не более 41% масс., содержание
летучих веществ не более 2,5 % масс.
Прочностные характеристики при растяжении
и сжатии, полученные входе испытаний образцов
углепластика аналога однонаправленной углеродной ленты УОЛ-300-2 + ЭДТ-69Н, показаны в таблице.
Результаты испытаний прочностных характеристик
при растяжении и сжатии углепластика
УОЛ-300-2 + ЭДТ-69Н
№ образца
σраст., МПа
σ сжат., МПа
1
1905
907
2
1857
889
3
1860
857
Среднее значение
1874
884
Примечание: σраст., - предел прочности при растяжении, σ сжат., - предел прочности при сжатии.
Из таблицы видно, что значения механических
испытаний исследуемого материала для разных
образцов изменяются незначительно. Это означает,
что можно говорить о стабильности прочностных
свойств испытанных образцов полимерных композиционных материалов. Полученные величины не
уступают значениям и даже по некоторым показателем прочностных характеристик выше, чем уже у
существующих углепластиков на основе углеродных лент УОЛ-300-2.
Заключение
В ходе выполнения данной работы были отработаны технологические режимы получения аналога углеродной однонаправленной ленты УОЛ-300-2,
с использованием углеродных нитей иностранного
производства на примере нитей TOHO TENAX 3К.
С использованием полученного углеродного прекурсора в виде армирующего наполнителя были
отработанны технологические режимы получения
препрегов УОЛ-300-2 + ЭДТ-69Н. Образцы углепластика, изготовленные на основе таких препрегов,
демонстрируют стабильность прочностных свойств,
значения которых сравнимы со значениями механических свойств существующих материалов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки в рамках
госзадания на НИР университету на 2014 г.
Литература
1. Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов – Научные публикации
сотрудников ВИАМ.
– Публикации 2008 года:
http://viam.ru/public/files/2008/2008-205022.pdf
2. ТУ 1916-167-05763346-96, изменение № 4 ленты
углеродные однонаправленные УОЛ.
3. Технология получения и физико-химические
свойства препрегов ЛУ-П-0,1 + ЭНФБ и углепластиков
на их основе [Текст] / О. А. Караева, А. М. Кудрин, А. В.
Калгин, О. В. Овдак // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - №
6. - С. 60-62.
4. ASTM D 3039 «Standard test method for tensile
properties of polymer matrix materials».
5. ASTM D 6641 – 01 «Standard test method for determining the compressive properties of polymer matrix composite laminates using a combined loading compression
(CLC) test fixture».
Воронежский государственный технический университет
TECHNOLOGY OF CARBON UNIDIRECTIONAL RIBBON ANALOGUE OF UOL-300-2,
PREPREG BASED ON IT AND DETERMINATION THE MECHANICAL PROPERTIES OF
CARBON PLASTICS
O.A. Karaeva, K.S. Gabriels, D.V. Poluhin, A.M. Kudrin
An analogue of unidirectional carbon ribbon UOL-300-2, using the carbon fibers TOHO TENAX 3K, have been obtained. Technological regimes of prepregs based on an analogue ribbon UOL-300-2 using distribution mortar epoxy binder
EDT-69N, have been made. Chemical analysis revealed the high quality of the prepreg. Physic mechanical tests showed that
samples of PCM based on «analogue UOL-300-2» + «EDT-69N» have high stability strength properties
Key words: carbon ribbon, prepreg, polymer composite materials (PCM), the physic mechanical properties
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа