Введение

В настоящее время автоклавный способ изготовления конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) является превалирующим в промышленности ввиду высокого и стабильного качества получаемых изделий [1–4]. Однако существуют определенные ограничения его использования, связанные в первую очередь с высоким энергопотреблением и стоимостью производственного оборудования. Кроме того, строгий государственный контроль безопасности технологических процессов ограничивает широкое распространение автоклавного способа и обеспечивает его доступность лишь крупным производителям изделий из ПКМ [5].

Ввиду увеличивающейся потребности в таких материалах на рынке появляются производители, для которых использование автоклавных процессов является затруднительным. Необходимо внедрение технологических процессов изготовления ПКМ со свойствами, приближенными к характеристикам аналогичных «автоклавных» материалов [6–8]. Одним из таких процессов является вакуумное формование препрегов и семипрегов, позволяющее получать высококачественные пластики с высокими физико-механическими показателями. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработаны такие материалы – препреги и семипреги на основе эпоксидной матрицы, тканых и однонаправленных наполнителей [9–11], перерабатываемые при температурах до 180 °С. Однако не всем потребителям ПКМ необходимы материалы с такой температурой переработки и, соответственно, повышенной рабочей температурой.

В рамках выполнения исследований проведен ряд работ, включающих разработку как расплавного эпоксидного связующего, так и угле- и стеклопрепрегов на его основе для переработки методом вакуумного формования при пониженной температуре отверждения (125 °С). Соответственно, исследованы физико-механические свойства полученных материалов для определения основных параметров их использования, в частности при изготовлении технических средств реабилитации инвалидов.

На отечественном рынке в основном представлены импортные материалы, готовые изделия, в частности протезно-ортопедические, зачастую также зарубежного производства. С учетом увеличивающейся потребности в ПКМ и необходимости замещения продукции иностранных производителей опробование разработанных материалов проводили при изготовлении конструктивно-подобных образцов панели корпусной конструкции сложной формы – фрагмента модуля стопы. Такие материалы должны отвечать стандартам изготовления и эксплуатации технических средств реабилитации, иметь четкие и понятные характеристики для инженерных расчетов и составления технологических карт в процессе разработки и планирования производства.

В настоящее время приобретение новых и поддержание в работоспособном состоянии уже установленных технических средств реабилитации зарубежных компаний осложнены или невозможны, что делает особенно актуальным вопрос о локализации производства изделий такого рода. Актуальность исследования конструкций из угле- и стеклопластиков, полученных методом вакуумного формования препрегов, для протезно-ортопедической области обусловлена несколькими факторами [12–14]:

– уникальное сочетание свойств ПКМ (высокая прочность и жесткость при сравнительно малой массе, что критически важно для создания комплектующих узлов протезов и ортезов, которые должны быть одновременно прочными и комфортными для пользователя);

– вакуумное формование препрегов позволяет создавать сложные по форме изделия с высокой точностью, что особенно ценно при изготовлении индивидуальных конструкций протезов и обеспечивает уровень комфорта, учитывающий анатомические особенности пациента;

– использование угле- и стеклопластиков открывает возможности для создания узлов протезов с улучшенными функциональными характеристиками. Например, можно точнее моделировать биомеханику естественного движения суставов, увеличивать устойчивость к нагрузкам и износу, а также интегрировать в конструкцию электроды и другие компоненты для создания микропроцессорных узлов для протезов.

Материалы и методы

В процессе разработки угле- и стеклопрепрегов, перерабатываемых методом вакуумного формования, с пониженной температурой отверждения для изготовления средств реабилитации инвалидов выполнены технологические операции:

– по разработке и изготовлению связующего марки ВСЭ-80 (выбор исходных компонентов, подбор режимов изготовления и оптимизация состава, исследование свойств и выпуск нормативной документации);

– по изготовлению угле- и стеклопрепрегов марок ВКУ-75 и ВПС-77 соответственно на основе разработанного связующего (оптимизация и подбор режимов изготовления, исследование свойств и выпуск нормативной документации);

– по изготовлению образцов угле- и стеклопластиков на основе полученных препрегов (определение оптимальной схемы сборки технологических пакетов для двух типов материалов, выбор режима отверждения и исследование физико-механических свойств ПКМ);

– по изготовлению конструктивно-подобных образцов панели корпусной конструкции сложной формы – фрагмента модуля стопы (выбор оптимальной формы, оценка расчетной модели изделия в нагруженном состоянии, определение геометрических параметров элементов, отработка технологии изготовления изделий и их исследование методами ультразвукового контроля и рентгеновской компьютерной томографии с целью оценки качества полученных образцов).

Результаты и обсуждение

Разработка и изготовление связующего

Применяемые в промышленности термореактивные полимерные связующие, перерабатываемые с использованием автоклавной и безавтоклавной (вакуумной) технологий, должны обладать следующими свойствами:

– длительный период хранения;

– непродолжительное формообразование и сравнительно невысокая температура доотверждения для улучшения энергоэффективности процесса получения деталей из ПКМ;

– узкий интервал реологических характеристик связующего, подходящих для выбранного метода переработки [15, 16].

Физико-механические и термомеханические характеристики ПКМ напрямую зависят от типа и состава используемого наполнителя и связующего, поскольку в процессе формообразования и последующего доотверждения в результате физико-химических и химических процессов связующее превращается в трехмерную сшитую матрицу, обеспечивающую монолитность конструкционного материала в целом. Существенное влияние на прочностные характеристики ПКМ оказывают качество пропитки наполнителя связующим и адгезия наполнителя к матрице, а также выбранные методы формования и подготовки вакуумных пакетов [17].

Критически важными характеристиками ПКМ, напрямую зависящими от состава и свойств наполнителя и матрицы, являются физико-механические свойства, деформационная устойчивость, тепло-, термо-, влаго- и атмосферостойкость.

Важнейшими технологическими характеристиками связующего являются время гелеобразования, величина экзотермического эффекта в момент максимальной скорости процесса отверждения, исходные реологические характеристики и динамика их изменения в процессе переработки. Перечисленные характеристики определяют выбор оптимальной технологии переработки связующегов соответствии с конструкционными и геометрическими особенностями изготавливаемых деталей [18–20].

Среди термореактивных связующих, удовлетворяющих большинству данных требований, наиболее часто используются эпоксидные связующие. Основным компонентом эпоксидных связующих является смесь реакционноспособных эпоксидных олигомеров с отвердителями [21–24]. Химическая природа, характер молекулярно-массового распределения, содержание и стерическая доступность реакционноспособных групп и, как следствие, надмолекулярная структура эпоксидного олигомера определяют технологические, термомеханические и прочностные свойства материала. Для отверждения эпоксидных смол используются отвердители различных типов (аминные, ангидридные, каталитические).

Разработано расплавное эпоксидное связующее марки ВСЭ-80, процесс изготовления которого включает получение форполимера и отверждающей пасты, синтез связующего, слив готового продукта из реактора, отбор проб и контроль качества. Связующее марки ВСЭ-80 обладает следующими свойствами:

Изготовление угле- и стеклопрепрегов на основе связующего марки ВСЭ-80

С использованием разработанного связующего на пропиточной установке для изготовления препрегов получены угле- и стеклопрепреги, стадии процессапредставлены на рис. 1.

Рис. 1. Основные стадии изготовления препрегов на пропиточной установке: а – разогрев партии расплавного эпоксидного связующего на валах пропиточной установки; б – изготовленная пленка расплавного эпоксидного связующего; в, г – совмещение угле- и стеклонаполнителей с полученной пленкой связующего; д – совмещение изготовленного препрега с защитной полиэтиленовой пленкой

Исследованы свойства полученных образцов угле- и стеклопрепрегов (табл. 1).

Таблица 1

Свойства образцов угле- и стеклопрепрегов, полученных на основе

расплавного эпоксидного связующего марки ВСЭ-80

Для изготовителя продукции важным параметром является жизнеспособность препрега. Это соотношение значений теплового эффекта, определенных методом дифференциальной сканирующей калориметрии, для образцов препрега угле- и стеклопластиков в исходном состоянии и после хранения при температуре 23±2 °С в течение 30 сут. Установлено, что в образцах препрега угле- и стеклопластика соотношение значений теплового эффекта изменяется незначительно (<15 %). Химическая реакция в данных условиях не происходит, следовательно, они пригодны для переработки в ПКМ после хранения при температуре 23±2 °С в течение 30 сут.

Изготовление образцов угле- и стеклопластиков

С использованием полученных образцов угле- и стеклопрепрегов изготовлены образцы угле- и стеклопластиков, исследованы их физико-механические свойства (табл. 2).

Таблица 2

Свойства полученных образцов угле- и стеклопластиков

На рис. 2 представлены С-сканы плит стекло- и углепластиков.

Рис. 2. С-сканы плит стекло- (а) и углепластиков (б)

Установлено, что в плитах угле- и стеклопластиков не выявлены области повышенного затухания с уменьшением амплитуды донного эхосигнала, превышающим уровень фиксации (более чем в 2 раза), что подтверждается однородной цветовой гаммой. Полученные плиты угле- и стеклопластиков по структуре однородны.

Результаты испытаний показали достаточность заявленной температуры отверждения материалов (125 °С), что подтверждается высокими значениями степени отверждения, характерными для полностью отвержденных пластиков. Полученные значения механических свойств также соответствуют показателям материалов, выполненных на основе тканых угле- и стеклонаполнителей.

Изготовление конструктивно-подобных образцов фрагмента модуля стопы

Совместно с ООО «Анатомикс Бионическая Лаборатория» изготовлены конструктивно-подобные образцы панели корпусной конструкции сложной формы – фрагмента модуля стопы с учетом ожидаемых требований к эксплуатации технических средств реабилитации.

Современные фрагменты модуля стопы [25–28] представляют собой изогнутую плоскую пружину, изготовленную из угле- или стеклопластиков, имитирующую естественную механику бега (рис. 3).

Рис. 3. Примеры фрагментов модуля стопы S- (а), C- (б) и J-образных (в) форм, изготовленных из полимерных композиционных материалов зарубежными производителями

В настоящее время используют три основные геометрические формы модуля стопы (S-, C- и J-образные), каждая из которых имеет достоинства и недостатки (табл. 3) [29–31]. S-образная форма модуля стопы представляет собой профиль с переменным изгибом; С-образная ‒ производится чаще и пользуется спросом у большого количества пользователей; J-образная ‒ обладает преимуществами обеих форм модуля стопы.

Таблица 3

Таким образом, J-образная форма выбрана базовой как отвечающая всем требованиям потребителей данных средств реабилитации и имеющая хорошую референсную базу, которая позволит в перспективе проанализировать готовое изделие и сравнить с аналогами, уже распространенными и применяющимися для реабилитации инвалидов в разных странах.

Проведена оценка расчетной модели изделия в нагруженном состоянии (рис. 4).

Рис. 4. Расчетная модель модуля стопы J-образной формы в нагруженном состоянии

Цвет модели отражает напряжения, которые возникают в изделии при испытании. Видно, что основную работу выполняет дуга, расположенная под местом крепления протеза, далее напряжения стремятся к нулю в носочной части.

С учетом существующих широко распространенных и уже реализованных на рынке образцов модуля стопы определены геометрические параметры элементов изделия (рис. 5).

Рис. 5. Выбранные геометрические параметры для элементов изделия

В таком исполнении стопа будет иметь достаточную жесткость в месте крепления и позволит должным образом отрабатывать силу реакции опоры при отталкивании, обеспечивая стабильный толчок. Длинное плечо позволит эффективно отталкиваться, сохраняя значительное количество энергии от загрузки пружинящей части [32].

Для получения экспериментальных конструктивно-подобных образцов фрагмента модуля стопы отработана технология изготовления образцов сложной геометрической формы.

Основной технологической задачей являлось предотвращение образования дефектов в виде складок и наслоения материала, возникающих из-за значительной толщины пакета и сложности рельефа оснастки. Показано, что для пакета большой толщины многоэтапная укладка с сокращенным количеством слоев на каждом этапе является необходимым условием для обеспечения высокого качества поверхности и формы детали.

Кроме того, показано, что важным фактором получения качественных образцов является выбор материала цулаг. В частности, использование цулаг из чрезмерно жестких материалов большой толщины приводило к искажению формы детали и появлению напряжений во внутренних углах. Цулаги из чрезмерно мягких материалов (например, лакоткань, тонкий текстолит) формировали излишне подробную ответную часть, повторяя все локальные сбеги материала и неровности, что также негативно сказывалось на распределении давления.

Оптимальным решением является использование тонких металлических цулаг, которые обеспечивают баланс между жесткостью, необходимой для поддержания общей формы, и гибкостью, достаточной для эффективного «сдавливания» препрега в технологическом пакете.

В результате проведенных мероприятий разработан и успешно апробирован технологический процесс, позволяющий изготавливать детали сложной формы без дефектов. Ключевыми факторами успеха стали многоэтапная сборка пакета, корректный подбор материала и конфигурации вспомогательных слоев, а также адаптация режима отверждения под специфические условия процесса.

На рис. 6 приведены стадии подготовки сборки вакуумного технологического пакета.

Рис. 6. Стадии подготовки сборки вакуумного технологического пакета: а – выложенный препрег на формообразующей оснастке с «лицевой» цулагой; б – сборка с жертвенной тканью; в – сборка после отверждения связующего; г – экспериментальные конструктивно-подобные образцы панелей корпусной конструкции сложной формы – фрагмента модуля стопы из угле- и стеклопластиков

Для подтверждения качества отработки процесса изготовления фрагмента модуля стопы из угле- и стеклопластиков проведены исследования методами ультразвукового контроля и рентгеновской компьютерной томографии. Ультразвуковой контроль эхоимпульсным методом в ручном режиме подтвердил отсутствие дефектов и расслоений во фрагменте модуля стопы (рис. 7).

Рис. 7. С-скан образца фрагмента модуля стопы

Проведенные исследования образцов как угле-, так и стеклопластиков методом рентгеновской компьютерной томографии также показали отсутствие внутренних дефектов и наличие пористости, не превышающей 1,5 % (рис. 8).

Рис. 8.Типичные изображения образца фрагмента модуля стопы в разных плоскостях, полученные методом рентгеновской компьютерной томографии

Для подтверждения правильности выбранного режима отверждения препрегов при изготовлении угле- и стеклопластиков определена степень отверждения материалов, которая составила 98,0 и 97,5 % соответственно.

Заключения

Разработаны связующее, угле- и стеклопрепреги, перерабатываемые методом вакуумного формования, с пониженной температурой отверждения, а также материалы на их основе для широкого использования в отраслях промышленности, где есть потребность производства изделий из ПКМ энергоэффективными методами с использованием дешевых процессов переработки, в том числе при изготовлении средств реабилитации инвалидов. С учетом увеличения потребности в материалах в этой отрасли и превалирования в настоящее время материалов зарубежного производства их импортозамещение становится все более актуальным.

Разработанные материалы с пониженной температурой отверждения опробованы при изготовлении конструктивно-подобных образцов панели корпусной конструкции сложной формы – фрагмента модуля стопы. Постоянно увеличивающийся спрос на протезно-ортопедические изделия и направленность на улучшение качества жизни пациентов, появление новых технологий обработки композиционных материалов делают исследования в этой области чрезвычайно актуальными и необходимыми.

Работа проведена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Министерство) в рамках Соглашения № 075-11-2025-012 между Министерством и Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» на основании Распоряжения Правительства Российской Федерации № 1789-р от 04.07.2023 об утверждении комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Новые композиционные материалы: технологии конструирования и производства».