СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК B29C55/30 

Изобретение относится к способам изготовления профильных изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) пултрузией и устройствам для их осуществления и может найти применение в различных отраслях народного хозяйства.

Известен способ производства труб из ПКМ пултрузией с вертикальной вытяжкой и устройство для его реализации (патент США N 3374132, НКИ 156 - 171, 1968), в соответствии с которым волокнистая основа, расположенная на оправке, пропитывается на нем связующим. Способ предусматривает спиральную обмотку с разным шагом и углом наклона в четырех различных плоскостях сечения по высоте с последующим наложением однонаправленных нитей на поверхности сечения. Весь пакет закрывается по поверхности лентой, подаваемой вдоль оси протяжки, и после дополнительного пропитывающего устройства поступает в формующую фильеру.

Протяжка осуществляется с помощью тянущего устройства, установленного после фильеры, вертикально вниз. Нагрев фильеры осуществляется путем подачи горячей жидкости в каждую половину фильеры.

К недостаткам этого способа и устройства следует отнести их относительную высокую стоимость, необходимость постройки специальных зданий, высокие капитальные затраты при монтаже установки, а также сложность в обслуживании.

Известен способ получения профилей пултрузией и установка с горизонтальной вытяжкой для его реализации (Установка для изготовления профильных изделий из стеклопластика методом непрерывной протяжки, "Судостроение", 1979 г. , N 10, с. 32 - 36 - прототип), согласно которым одни слои укладывают продольно оси вытяжки, другие - наматывают с пониженной плотностью по диагонали под углом 70 - 85^o. Эти операции могут быть повторены. Поверх таким образом выложенных слоев укладывают слой волокон, ориентированных вдоль оси протяжки. При этом жесткое поджатие продольных слоев к оправке выполняется при малом зазоре между стекловолокном и поверхностью укладки. Стекловолокно на оправке пропитывается избыточным количеством связующего послойно в порядке их нанесения, причем избыток связующего сохраняется до момента обжатия пакета перед фильерой. С этой целью уплотнение и герметизация зоны пропитки осуществляются за счет упругого обжатия, возрастающего по длине оправки. Деформирование слоев в профиль в оправке переменной формы выполняется путем передачи давления непосредственно наружным продольным слоям армирующего стекловолокна.

Указанный способ осуществляется на установке, включающей дисковые шпулярники и обмотчики с распределительными кольцами; консольно закрепленную цилиндрическую оправку с концом переменного профиля и постоянным периметром поперечных сечений; охватывающие оправку пропиточные ванны, представляющие собой обжимной блок с камерой для связующего, разъемные обогреваемые фильеры, камеру термообработки, механизмы протяжки, резки и рольганга.

Изготовленные таким способом тонкостенные профили обладают высокой прочностью и жесткостью, у них, как правило, отсутствует продольное растрескивание. Эти профили хорошо работают на сжатие и растяжение, но они непригодны для передачи вращательного движения. Причиной этого является структура армирования.

Задачей настоящего изобретения является изготовление стержней и труб из ПКМ, работающих в сложно-напряженных условиях, а именно при кручении, т.е. при нагрузках на сжатие, растяжение и изгиб.

Для решения этой задачи способ изготовления профильных изделий из ПКМ пултрузией включает съем армирующего волокна со шпулярника, ориентированного вдоль оси протяжки, пропитку его в ванне со связующим, отжим, формирование пакета и его отверждение в обогреваемой формующей фильере. Перед входом в обогреваемую формующую фильеру сформированный пакет пропитанного связующим армирующего материала оплетают в непрерывном режиме с введением в зону переплетения пропитанного связующим армирующего материала с нулевым углом наклона. Сформированный после оплетения пакет из ПКМ вводят в обогреваемую формующую фильеру, где происходит окончательное формование профиля и его отверждение.

При формировании высоконагруженных профилей из ПКМ пакет можно формировать в несколько стадий последовательно в непрерывном режиме, укладывая продольные и поперечные или одни поперечные слои армирующего материала, при этом оплеточные слои второго и каждого последующего слоя армирующего материала накладывают на частично отвержденную поверхность заготовки, полученной на предыдущей стадии, что позволяет иметь относительно короткий дорн, достигающий лишь первого узла отверждения.

Формирование полых изделий можно осуществлять на неподвижном относительно пакета дорне. Вариантом этого является способ, когда при наборе пакета внутрь его вводят предварительно отформованную трубу, а непрерывность процесса осуществляют путем подачи в зону плетения следующей трубы и соединения ее с предыдущей встык. В качестве клея используется связующее, выдавливаемое из пакета.

Вводимая внутрь пакета труба может быть сформирована в одно время с остальными операциями, причем эта труба располагается соосно с остальной линией и находится в начале линии формирования.

Пропитку оплеточных слоев можно осуществлять в обогреваемом роликовом пропиточном устройстве при температуре не ниже 30^oC.

Установка для реализации заявляемого способа изготовления профильных изделий из ПКМ пултрузией содержит шпулярник, пропиточную ванну, обогреваемую формующую фильеру и тянущее устройство. Перед формующей фильерой дополнительно последовательно установлены оплеточный модуль (ОМ), снабженный устройством, обеспечивающим введение нити с нулевым углом наклона в зону переплетения и пропиточное устройство роликового типа. Ось симметрии ОМ целесообразно расположить горизонтально. Установка может содержать не менее двух модулей, каждый из которых включает ОМ, пропиточное устройство и обогреваемую фильеру, при этом формующая фильера каждого последующего модуля имеет площадь сечения профиля больше, чем у предыдущего, на заданную величину. Перед оплеточным устройством первого модуля может быть установлен неподвижно длинномерный дорн, центрирование которого осуществляется посредством центрирующего механизма ОМ.

После оплеточного и пропиточного устройств может быть установлено обмоточное устройство.

Для формования однонаправленной трубы в едином цикле перед первым ОМ могут быть установлены шпулярник и пропитывающее устройство.

Особенность заявляемого способа заключается в сочетании однонаправленного (вдоль оси) армирования с объемным (оплетка), налагаемым поверх однонаправленных слоев, возможно послойное сочетание далее однонаправленного и объемного армирования или только многослойное объемное армирование. Тот или иной вариант сочетания армирующих слоев выбирается исходя из функционального назначения профиля, однако основной (первый) однонаправленный слой армирования присутствует везде, что вызвано сутью способа формования. Кроме того, однонаправленное армирование обеспечивает устойчивость профилей при работе на сжатие и растяжение с одновременной передачей крутящего момента, когда они воспринимают растягивающие и сжимающие усилия. Объемное армирование может представлять собой сочетание слоев армирования нитью под углами ±(30 - 60)^o с нитью с нулевым углом наклона в узле переплетения, поверх этого слоя могут быть положены обмоточные слои под углами ±(75 - 87)^o, которые выполняются лентой на основе ткани или сочетания группы нитей с одной ориентацией. Такого рода сочетания позволяют решать проблемы получения труб, когда они работают под избыточным давлением, одновременно испытывая воздействие крутящего момента. Очередность и порядок нанесения армирующих слоев определяется функциональной особенностью службы профиля. Этим же определяются и конструкционные особенности установки, когда для реализации того или иного варианта устанавливается на соответствующую позицию тот или иной модуль или их группа. Такой подход позволяет расширить возможности основной базовой пултрузионной установки.

На фиг. 1 схематически представлена установка для изготовления профильных изделий из ПКМ, содержащая модуль А, - общий вид; на фиг. 2 схематически представлен вариант установки с ОМ и обмоточным узлом (модуль Б) - общий вид; на фиг. 3 схематически представлена установка, включающая дополнительный модуль В, обеспечивающий возможность получения однонаправленной трубы или стержня, - общий вид.

Установка для изготовления профильных изделий из ПКМ включает шпулярники 1, пропиточное устройство 2, обогреваемую формующую фильеру 3, тянущее устройство 4. Перед обогреваемой формующей фильерой 3 установлен оплеточный модуль (ОМ) 5. Между обогреваемой формующей фильерой 3 и ОМ 5 дополнительно установлено пропиточное устройство роликового типа 6. Установка может содержать два и более модулей А, каждый из которых включает ОМ 5, пропиточное устройство 6, обогреваемую формующую фильеру 3. В первом по порядку модуле А перед ОМ 5 установлен неподвижный длинномерный дорн 7.

При изготовлении профильных изделий из ПКМ вначале осуществляют заправку следующим образом. Расчетное количество нитей 8 с нулевым углом наклона со шпулярников 1 пропускают через пропиточное устройство 2 и систему вспомогательных фильер 9 вдоль дорна 7, закрепленного в ОМ.

Одновременно для последующего введения в узел переплетения нитей с нулевым углом наклона заданное количество их пропускается через специальное приспособление оплеточного модуля 5 и ограничитель 12, соединяя их с основными нитями, имеющими нулевой угол наклона, и все нити с нулевым углом наклона закрепляются на штанге тянущего устройства 4 (не показана).

Вторую часть нитей 10 отбирают со шпулей 11 ОМ. Нити 10, пропущенные через ограничитель 12, пропитывающее устройство 6 и фильеру 3, закрепляется на штанге тянущего устройства 4.

Приготовленное связующее заливается в пропиточные устройства 2 и 6. Включают тянущее устройство 4 и через 5 - 10 мин включают ОМ 5. 7', 6'' - готовый профиль.

В случае применения обмоточных слоев в структуре армирования дополнительно вводится обмоточный узел (фиг. 2), содержащий обмоточную машину 13, со шпулей которой снимаются ленты 14 в виде тканых форм или группы нитей. При вращении обмоточного узла пакет обматывается лентами или нитями под углом ±(75 - 87)^o. Обмоточный узел устанавливается между фильерой 3 и пропиточным узлом 6.

При необходимости дополнительной пропитки обмоточными лентами 14 между фильерой 3 и обмоточной машиной 13 может быть дополнительно установлена пропитывающая ванна 6'. Сочетания узлов 5, 6, 12, 13, 6' и 3, составляющих модуль Б, могут многократно повторяться.

Пример 1. Изготовление пултрузией стержня ⊘ 3 мм из ПКМ со связующим на основе эпоксидной смолы ЭХД и стеклоровинга в качестве наполнителя. Со шпулярникa 1 отбирают пучок жгутов с нулевым углом наклона, состоящий из двух жгутов РБР 13-2562, и 60 нитей марки ВМПС-6 пропускают через пропиточное устройство. Затем нити ВМПС-6 проходят через специальное приспособление оплеточного модуля 5 и соединяются с прошедшими через центр ОМ 5 двумя жгутами РБР 13-2562, где к ним добавляются 60 нитей 10 марки ВМПС-6 со шпулей челноков ОМ 5, затем жгуты поступают через ограничитель 12 и пропиточное устройство 6 в обогреваемую формующую фильеру 3 и крепятся на штанге тянущего устройства 4.

Процесс вытяжки осуществляют при следующих технологических параметрах:
- температура связующего в пропиточной ванне - 40 - 60^oC;
- скорость протяжки стержня - 0,2 - 0,35 м/мин;
- температура нагревателя формующей фильеры - 190 - 220^oC.

Ось симметрии ОМ и ось симметрии рабочего канала фильеры совпадают.

Пример 2. Изготовление пултрузией трубы из ПКМ ⊘ 35,6 мм с внутренним диаметром 27 мм аналогично изготовлению по примеру 1.

Формование внутреннего отверстия осуществляют с помощью дорна 7, который закреплен неподвижно. Установка содержит второе пропиточное устройство 6 роликового типа, состоящее из 4-х пар роликов, расположенных попарно под углом 90^oC, и систему вспомогательных фильер 9. Для армирования изделия формируют пакет из 260 жгутов РБР 13-2562 и 100 жгутов РВМИ 10-420-80, к которым добавляют со шпулей челноков ОМ 5 100 жгутов РВМИ 10-420-80. Схема движения жгутов РВМИ 10-420-80 как в примере 1 для нитей марки ВМПС-6.

Процесс вытяжки осуществляют при следующих технологических параметрах:
- температура связующего в пропиточной ванне - 40 - 60^oC;
- скорость протяжки трубы - 0,1 - 0,2 м/мин;
- температура нагревателя формующей фильеры - 190 - 220^oC.

Пример 3. Аналогичен примеру 2, но вместо дорна для получения внутреннего отверстия используется труба-полуфабрикат с внутренним диаметром 25 мм из стеклопластика с толщиной стенки 1 мм. Труба помещается в центр оплеточного модуля 5, вдоль нее укладываются 146 жгутов РБР 13-2652 (8) и 100 жгутов РВМИ 10-420-80, 100 жгутов РВМИ 10-420-80 отбираются со шпулей ОМ 5, остальное как в примере 2. Схема движения жгутов РВМИ 10-420-80 как в примере 1 для нитей марки ВМПС-6.

Пропущенные через пропиточное устройство 2 и обогреваемую формующую фильеру 3 волокна крепятся на штанге тянущего устройства 4. Центрирование трубы по отношению к обогреваемой формующей обогреваемой фильере 3 обеспечивается равномерным распределением волокна вдоль образующей трубы, вспомогательными устройствами и ОМ за счет равномерного натяжения нитей при оплетке.

По мере "выработки" трубы встык к ней устанавливается следующая труба. Стык между трубами склеивается за счет избытка связующего в однонаправленном волокне. Таким образом, обеспечивается получение бесконечной трубы с оплеткой.

Пример 4. Изготовление пултрузией трубы ⊘ 35 мм из стеклопластика на связующем на основе эпоксидной смолы ЭХД с внутренним диаметром 25 мм (фиг. 3).

Со шпулярника 15 отбираются 59 жгутов РБР 13-2520, пропускаются через пропиточную ванну 16 и обогреваемую формующую фильеру 17, имеющую рабочий канал диаметром 27 мм и дорн с наружным диаметром 25 мм, через центр шпулярника 1, где к ним присоединяются 260 жгутов РБР 13-2520 и 100 жгутов РВМИ 10-420-80 со шпулярника 1, проходящих через пропиточную ванну 2, затем со шпулей ОМ 5 отбираются 100 жгутов РВМИ 10-420-80, и пучок со всеми волокнами пропускается через формующую фильеру 3 и крепится на штанге тянущего устройства 4. Схема движения жгутов РВМИ 10-420-80 как в примере 1 для нитей марки ВМПС-6.

Технологические параметры:
- температура связующего в пропиточной ванне - 30 - 60^oC;
- скорость протяжки - 0,1 - 0,2 м/мин;
- температура в формующей фильере 17 - 180 - 200^oC;
- температура в формующей фильере 3 - 190 - 220^oC.

Пример 5. Изготовление пултрузией трубы ⊘ 35 мм из стеклопластика со связующим на основе эпоксидной смолы ЭХД с внутренним диаметром 25 мм с применением обмотки. Повторяется пример 4, но со шпулярников 1 отбираются 200 жгутов РБР 13-2520, а после пропиточного устройства 6 (фиг. 2) с обмоточной машины 13 отбираются 3 ленты 14 из ткани Т-10 толщиной 0,2 мм при ширине ленты 20 мм, далее полностью повторяется пример 4.

Комбинируя модели А, Б или В за счет многоступенчатой последовательности, достигается заданная структура армирования вала или трубы.

Изобретение относится к изготовлению профильных изделий из полимерных композиционных материалов пултрузией и позволяет изготавливать стержни и трубы, работающие при нагрузках на растяжение и сжатие, изгиб и кручение, внутреннее избыточное давление. При изготовлении изделий расчетное количество нитей 8 с нулевым углом наклона со шпулярников 1 пропускают через пропитывающее устройство 2 и систему вспомогательных фильер 9 вдоль дорна 7, закрепленного в оплеточном модуле (ОМ) 5. Часть волокна пропускается через специальные приспособления в ОМ 5 для последующего введения их в узел переплетения. Вторую часть нитей 10 отбирают со шпулей 11 ОМ 5. Нити 10, пропущенные через ограничитель 12, пропитывающее устройство 6 и обогреваемую формующую фильеру 3, закрепляются на штанге тянущего устройства 4. Приготовленное связующее заливается в пропиточные устройства 2 и 6. Включают тянущее устройство 4 и через 5-10 мин включают ОМ 5. Получают готовый профиль 7^', 6^''. В случае применения обмоточных слоев в структуре армирования дополнительно вводится обмоточный узел, содержащий обмоточную машину 13, со шпулей которой снимаются ленты 14 в виде тканых форм или группы нитей. При вращении обмоточного узла пакет обматывают лентами или нитями под углом ±(75-87)^o. Обмоточный узел устанавливают между обогреваемой формующей фильерой 3 и пропиточным узлом 6. При необходимости дополнительной пропитки обмоточных лент 14 между обогреваемой формующей фильерой 3 и обмоточной машиной 13 может быть дополнительно установлена пропитывающая ванна 6^'. Сочетания узлов 5, 6, 6^', 12, 13 и 3, составляющих модуль Б, могут многократно повторяться. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления профильных изделий из полимерных композиционных материалов, включающий съем армирующего материала со шпулярника, пропитку его в ванне со связующим, отжим, формирование пакета и его отверждение в обогреваемой формующей фильере, отличающийся тем, что перед входом в обогреваемую формующую фильеру сформированный пакет пропитанного связующим армирующего материала оплетают в непрерывном режиме с введением в зону переплетения пропитанного связующим армирующего материала с нулевым углом наклона. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование пакета осуществляют многостадийно с последовательным нанесением слоев армирующего материала, при этом оплеточные слои второго и каждого последующего слоя армирующего материала накладывают на частично отвержденную поверхность заготовки, полученной на предыдущей стадии. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формовании полых изделий на начальной стадии формования пакета внутрь него вводят неподвижный дорн. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при формовании полых изделий на начальной стадии внутрь пакета вводят предварительно отформованную трубу, при этом непрерывность процесса осуществляют путем подачи в зону плетения очередной идентичной трубы, соединенной с предыдущей встык. 5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что оплетенный армирующим материалом пакет пропитывают в обогреваемом роликовом пропиточном устройстве при температуре не ниже 30^oС. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что вводимая внутрь пакета труба формуется в одно время с остальными операциями, располагается соосно с остальной линией и находится в начале линии формирования. 7. Установка для изготовления профильных изделий из полимерных композиционных материалов, содержащая шпулярник, пропиточную ванну, обогреваемую формующую фильеру и тянущее устройство, отличающаяся тем, что перед формующей фильерой дополнительно последовательно установлены оплеточный модуль и пропиточное устройство роликового типа. 8. Установка по п. 7, отличающаяся тем, что ось симметрии оплеточного модуля расположена горизонтально. 9. Установка по пп.7 и 8, отличающаяся тем, что она содержит не менее двух модулей, каждый из которых включает оплеточный модуль, пропиточное устройство и обогреваемую фильеру, при этом формующая фильера каждого последующего модуля имеет площадь сечения профиля больше, чем у предыдущего на заданную величину. 10. Установка по пп.7 - 9, отличающаяся тем, что перед оплеточным устройством первого модуля установлен неподвижно длинномерный дорн, центрирование которого осуществляется посредством центрирующего механизма оплеточного модуля. 11. Установка по пп.9 - 10, отличающаяся тем, что после оплеточного и пропиточного устройств установлено обмоточное устройство. 12. Установка по пп.7, 9 - 11, отличающаяся тем, что при формовании однонаправленной трубы в едином цикле перед первым оплеточным модулем дополнительно установлены шпулярник и пропитывающее устройство.