Введение

В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) пользуются все большей популярностью [1]. Производители предлагают широкий ассортимент ПКМ с самыми разными армирующими компонентами и связующими добавками на основе полимеров. Как следствие, ПКМ на их основе имеют различные физические и химические свойства.

Полимерные композиционные материалы предназначены для решения самых разных задач, а также для применения при эксплуатации в достаточно жестких условиях. На практике это приводит к необходимости менять состав наполнителей и структуру армирования с учетом конкретной ситуации. В основном в качестве армирующих компонентов применяют стекло-, угле- и органоткани [2, 3].

В свою очередь, данные наполнители изготавливают в виде:

– жгутов;

– тканей (нити в рамках уровня укладывают в одном направлении; на выходе получают слоистую структуру, так как в каждом последующем слое нити располагаются перпендикулярно предыдущему);

– матов (эти наполнители представляют собой многослойные среды, где каждый из уровней – это ткань с упорядоченной нитяной структурой; для всех слоев выбирают единое направление).

В том случае если готовое изделие из ПКМ планируют эксплуатировать при минимальных или средних нагрузках, армирование выполняют при помощи стеклотканей. Данный вариант относится к бюджетным по сравнению с применением угле- и органотканей. В то же время физико-механические свойства получаемых деталей соответствуют требованиям для решения поставленной задачи. Для получения стеклотканей, из стекла вытягивают нити, обладающие одновременно и гибкостью, и устойчивостью к внешним воздействиям. Стекловолокно выдерживает нагревание, не горит, не впитывает воду, не вступает в химические реакции, не гниет и т. д.

Стекломассу для нитей можно получать как из бывшего в использовании стекла (боя), так и из стандартного исходного сырья. Массу пропускают через системы фильтров с ячейками разного диаметра. От этого зависит диаметр будущих волокон. Полностью готовые нити для удобства транспортировки и последующего использования наматывают на специальные бобины. Волокна скручивают в нити, из которых производят разнообразные сетки, ткани и нетканые полотна. Диаметр стекловолокон – минимальный. Чтобы они не истирались в процессе формирования нитей или тканей, применяют замасливатели – технологические или «прямые». Для изготовления первых используют парафиновые эмульсии или масла, а «прямые» замасливатели производят из аминосилана.

В настоящее время выпускают стеклоткани самых разных типов и назначения. Различаются и структура ткани, и исходное сырье. К наиболее востребованным относят следующие модификации стеклотканей (по назначению): конструкционные, строительные, радиотехнические и изоляционные. Исходя из материала основы и способа производства, выделяют следующие варианты стеклотканей: кварцевые, ровинговые и фильтрационные.

Строительные стеклоткани используют преимущественно при черновом оштукатуривании стен, что позволяет улучшить адгезию и увеличить срок эксплуатации покрытия. Кроме того, такие стеклоткани применяют для укрепления дорожных откосов и береговой линии. Отличить данный материал можно при наличии индексов в маркировке: СС, ССШ или СДА.

Отличие радиотехнических стеклотканей от аналогов заключается в наличии тончайшей металлической проволоки или нити в основе. Основное предназначение подобных материалов – отражение световых и радиоволн. В их названии обязательно должна присутствовать следующая аббревиатура: СТП, РСП, ТСОН или СММТ.

Изоляционные стеклоткани производят из стекла, не содержащего щелочи. Для защиты от внешних воздействий готовые волокна покрывают парафиновыми составами. Эти типы стеклотканей применяются в строительстве, для армирования изоляционных конструкций и т. д. В маркировке присутствуют символы: И или ПС.

Кремнеземные и кварцевые стеклоткани не теряют эксплуатационных качеств при температуре 1100 °С. Их физические и химические свойства не меняются при воздействии радиации, кислотных и щелочных сред. Однако в отличие от асбеста указанные стеклоткани не оказывают негативного воздействия на человека. Сфера применения материала практически не ограничена: строительство, промышленность, теплоизоляция и т. д. Отличить такую стеклоткань от других можно при наличии обязательной аббревиатуры: КТ и ТС.

Фильтрационные стеклоткани применяют при изготовлении фильтров для разделения различных субстанций на отдельные фракции, в том числе для отделения газов. От аналогов такие ткани отличаются следующей маркировкой: ТСФ или ССФ.

К группе ровинговых стеклотканей можно отнести практически любую стеклоткань вне зависимости от ее назначения. Главное, чтобы для получения материала использовались ровинги – не скрученные между собой пучки исходных волокон. Ровинговые стеклоткани можно приобрести как в листах, так и в рулонах. Далее можно вырезать заготовки практически любых площади и размеров. В маркировке ровинговых тканей значатся буквы ТР.

Перечисленные модификации стеклотканей отгружаются с заводов-производителей рулонами или листами. Максимальная ширина – 110 см. На основе полученных рулонов стеклотканей и полимерного связующего изготавливают полуфабрикат – препрег (предварительно пропитанная полимерным связующим ткань), из которого в свою очередь производят послойную выкладку и формование необходимого изделия.

В настоящее время большинство марок стеклотканей изготавливают на современных высокотехнологичных ткацких установках. Однако до сих пор используют и такие марки ткани, которые производят на устаревшем оборудовании. Одной из главных проблем изготовления стеклотканей является ее неравномерное натяжение в рулонах, обусловленное «рыхлой» намоткой на гильзе, что в свою очередь при пропитке ткани существенно сказывается на качестве получаемого полуфабриката.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 13.2. «Конструкционные ПКМ» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [4–6].

Материалы и методы

Тканые наполнители используют для улучшения эксплуатационных свойств ПКМ (прочности, жесткости и др.) и придания им требуемых характеристик. Наполнитель, как один из компонентов материала, имеет важнейшее значение при формировании основных свойств композита – от него в значительной степени зависят технологические свойства ПКМ и возможности их переработки в изделия.

К идеальному наполнителю предъявляют особые требования, которые в одном компоненте сочетать очень трудно. Он должен обладать высоким уровнем физико-механических свойств, низким водопоглощением, хорошей смачиваемостью, повышенной химической и термостойкостью, иметь низкую стоимость, быть негорючим, доступным для придания заданной формы изделиям и хорошо драпироваться.

В настоящее время основными наполнителями, используемыми при изготовлении конструкций из ПКМ для летательных аппаратов, являются стеклоткани марок Т-10-14, Т-15-76, Т-64(ВМП)-78, ТС-8/3-К-ТО и др. [7–9]. Данные стеклоткани различаются как назначением, так и основными свойствам (табл. 1).

Таблица 1

Основные свойства наполнителей (стеклотканей)

Для проведения данного исследования выбрана стеклоткань марки Т-64(ВМП) ввиду особенности ее изготовления. Вид переплетения для указанной стеклоткани – сатин 4-ремизный неправильный или саржа 2/2 из стеклянных крученых комплексных нитей. В основе используют нити ВМПС6 7,2×4 Z 10 или ВМПС6 14,4×2 Z 100, в утке – нити ВМПС6 7,2×2 Z 100 или ВМПС6 14,4×1 S 50. Используемая стеклоткань изготовлена с применением «прямого» замасливателя № 78.

Известно большое количество технологий пропитки армирующих наполнителей связующими, основная задача которых заключается в создании условий наилучшего смачивания поверхности волокон наполнителя пропитывающим составом. Процессы пропитки условно можно разделить на два вида:

– традиционные (с изготовлением полуфабриката – препрега, семипрега, премикса и т. д.);

– «директивные» или прямые, в которых процесс пропитки наполнителя осуществляется непосредственно в формообразующей оснастке.

В данной работе производство препрега выполняли по онлайн-технологии, т. е. изготовление пленки связующего и ее совмещение с тканым наполнителем проводили на пропиточной установке за единый технологический цикл. Использование данной технологии позволяет работать со связующими на основе низкодеформативных полимеров (например, таких как полиимиды), поскольку совмещение происходит непосредственно с низковязким расплавом [10–12].

На основе выбранной стеклоткани и расплавного эпоксидного связующего изготовлен препрег с массовым содержанием связующего 45±2 %. Далее методом вакуум-автоклавного формования на основе полученного препрега изготовлены плиты стеклопластика, из которых вырезаны образцы для определения предела прочности при растяжении и сжатии.

При испытаниях проводили определение:

– разрывной нагрузки стеклоткани (по ГОСТ 6943.10–2015);

– предела прочности и модуля упругости при растяжении стеклопластика (по ГОСТ Р 56785–2015);

– предела прочности при сжатии стеклопластика (по ГОСТ Р 56812–2015).

Результаты и обсуждение

Непосредственно перед изготовлением полуфабриката (препрега) проведен входной контроль свойств стеклоткани марки Т-64(ВМП) на соответствие требованиям нормативной документации [13]. Согласно полученным данным стеклоткань соответствовала техническим условиям на ее поставку. Однако при определении разрывной нагрузки при растяжении выявлен большой разброс по показателям. Разрывная нагрузка по основе стеклоткани составила от 1080 до 1530 Н, по утку – от 560 до 920 Н. Характер разрушения образцов из стеклоткани, имеющих минимальные значения разрывной нагрузки, согласно графику нагружения образцов, имел ступенчатый вид, т. е. разрушение нитей ткани происходило не одновременно, а поочередно (рис. 1).

Рис. 1. Диаграммы испытанных образцов 1 и 2 из стеклоткани по основе при одновременном (а) и поочередном разрушении нитей (б)

Следует отметить, что при размотке (протяжке) рулона «сухой» стеклоткани часто наблюдается отклонение (неперпендикулярность) уточной нити относительно нитей основы ткани. Причиной образования отклонения уточной нити, по-видимому, является неравномерное натяжение нитей основы при производстве стеклотканей, что в свою очередь приводит к провисанию исходного (готового) полотна ткани при его движении на пропиточной установке в процессе изготовления препрега. Провисание полотна ткани при пропитке приводит не только к отклонению уточной нити, но и к образованию некондиционных зон (складки, недопропитка) на препреге (рис. 2).

Рис. 2. Дефектные зоны: а – провисание ткани; б – складка на препреге

Для определения влияния отклонения уточной нити в препреге на механические свойства ПКМ изготовлен препрег стеклопластика на основе выбранной стеклоткани и расплавного эпоксидного связующего и проведен замер угла отклонения уточной нити (рис. 3).

Рис. 3. Угол отклонения уточной нити в препреге

Видно, что в одной из сторон препрега образовалась зона с углом отклонения уточной нити, равным ~12 градусов. Изготовленный препрег раскроен на карты габаритным размером 500×460 мм. Кроме того, на их основе выложены плиты стеклопластика со схемой армирования в направлении [0°]_n. Выкладка проведена по схеме, представленной на рис. 4: одна половина плиты стеклопластика получена из препрега, где отсутствует отклонение уточной нити, другая половина – из препрега с явным отклонением уточной нити.

Рис. 4. Схема выкладки заготовки плиты стеклопластика из препрега без отклонения (а)
и с отклонением (б) уточной нити

Плиты стеклопластика изготовлены вакуумно-автоклавным методом при конечном избыточном давлении 0,7 МПа [14–18]. Каждая полученная плита промаркирована и размечена (рис. 5). Для определения места расположения в исходной плите вырезанных и испытанных образцов из стеклопластика их маркировали в виде «ласточкиного хвоста» с условным обозначением зоны, откуда они были вырезаны. Из отформованных плит образцы вырезали для определения предела прочности при растяжении и сжатии в направлении основы и утка [19, 20]. Для минимизации влияния механической разрезки на свойства стеклопластика образцы для механических испытаний вырезали при помощи гидроабразивной установки [21–26].

Рис. 5. Пример маркировки изготовленных плит стеклопластика

Механические испытания проводили с использованием испытательного оборудования фирмы Zwick/Roell Z050. Полученные результаты испытаний образцов из стеклопластика представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты механических испытаний образцов из стеклопластика

Исходя из данных табл. 2 установлено, что отклонение уточной нити в стеклоткани значительно влияет на механические свойства и коэффициент вариации свойств в стеклопластике в направлении приложения нагрузки 90 градусов.

Влияние отклонения уточной нити на предел прочности при растяжении образцов стеклопластика составляет:

– по направлению приложения нагрузки [0°] ‒ от 2 до 9 %; разброс свойств (от минимального к максимальному) возрастает в 2 раза (с 2,4 до 5,5 %);

– по направлению приложения нагрузки [90°] от 19 до 20 % без увеличения коэффициента вариации.

Показатели предела прочности при сжатии продемонстрировали отклонение уточной нити по направлению приложения нагрузки [0°] и [90°] от 3 до 5 и от 12 до 20 % соответственно без увеличения коэффициента вариации.

Заключения

Во избежание перекоса уточной нити при изготовлении исходной ткани необходимы применение установок с поддержанием равномерного натяжения ее полотна и использование качественного (одинакового по свойствам) исходного сырья.

По результатам проведенной работы можно отметить следующее: чем больше отклонение угла уточной нити относительно основы ткани, тем большее влияние на механические свойства и их разброс в ПКМ оно имеет.

Для уменьшения угла отклонения уточной нити относительно основы ткани при изготовлении препрегов можно рекомендовать применение накопительных устройств и специализированных систем валов или повторную перемотку рулонов сухой ткани.