В течение последних нескольких десятков лет композитные материалы заняли ведущее место в авиакосмической, транспортной, в том числе автомобильной, электротехнической и многих других видах промышленной деятельности. Стеклопластик и его соединения с углеводородами делают возможным реализацию изделий, отвечающих высоким требованиям к механическим нагрузкам и термостойкости, причем это могут быть и крупногабаритные детали и элементы.
Сегодня распространено использование таких технологических процессов, как ламинирование вручную с использованием формовки путем создания низкого или, наоборот, высокого давления (вакуумная или автоклавная установки). Resin Transfer Moulding (RTM), Reaction Injection Moulding (RIM) обладают доказанными преимуществами в процессе производства изделий небольших и средних габаритов, однако сильно проигрывают при увеличении размера крупносерийной детали. Связано это с тем, что процесс подготовительной работы включает в себя этапы, которые сложно реализовать при большой площади заготовки:
- кройка, формовка и укладка ткани для получения препрега с использованием полимерного связующего вещества;
- долгое время отвердевания нанесенного состава;
- высокая себестоимость комплектующих материалов.
Т.е., как видно, при вышеописанных условиях в геометрической прогрессии будет расти цена на конечные изделия, что отправляет их в сегмент неконкурентоспособных по отношению к аналогичной продукции из термопластичной массы, полученной методами прямого литья, glass-mat thermoplastic (GMT) или long fiber-reinforced thermoplastic (LFT).
К началу второй половины 20-го века были разработаны и введены в эксплуатацию композитные материалы, основой которых являются высокомолекулярные соединения — полиэфиры, стекловолокно и различные минеральные компаунды, например SMC — Sheet Molding Compound (препрег) и BMC — Bulk Molding Compound (премикс). Эти инновации позволили по-новому взглянуть на технологический процесс производства серийной продукции малых и средних габаритов.
Представленные два материала используются в различных отраслях, так область применимости SMC:
- кузовные детали в транспортной промышленности;
- изделия бытового обихода, к примеру, шкафы;
- ряды стадионных сидений и посадочных мест в коммерческом транспорте;
- элементы электротехнической промышленности и световых изделий.
BMC, в свою очередь является основой для формовки таких деталей со сложной конфигурацией, как:
- составляющие двигателей для автомобилей и тракторной техники;
- рефлекторы световых приборов;
- элементы электротехнических и электрических бытовых устройств.
SMC препрег как листовой материал
По внешнему виду SMC это пластины листового материала, которые изготовлены при помощи специализированного оборудования, причем, непрерывным методом. В его основу входит целый спектр составных элементов, а именно высокомолекулярные полиэфиры, наполнители из минералов, таких как кальций в виде мела, оксид алюминия в связке с водой, вещества, препятствующие усадке и придающие нужный окрас, а также катализаторы полимеризации.
Готовый состав наносится на подложку, после чего подается на устройство, разрезающее будущий материал на необходимые размеры и укрывающее сверху слоем стекловолокна. Готовый брикет покрывается вторичным слоем полимерной смеси и прессуется для достижения диффузии состава в армирующее волокно. После всех механических процедур следует термическая обработка внутри специализированной камеры, где подготовленный материал находится в рулонах и, как это называется, «созревает».
Само собой разумеется, что каждый компонент в составе полимерного состава выполняет определенную функцию:
- высокомолекулярный полиэфир, по сути смола, является основным связующим элементом, обеспечивающим надежную механическую связь всех элементов по трем измерениям, а также отвечает за качественные термодинамические показатели;
- минералы в виде наполнителя на начальном этапе несколько снижают адгезию к смоле, позволяя протягивать стекловолокно, а оксиды алюминия в соединении с водой гарантируют готовой продукции высокий класс огнеупорности;
- элементы, компенсирующие усадку материала, отвечают за сохранение ровной и гладкой поверхности после термической обработки, что является чуть ли не основополагающим требованием в производстве кузовных элементов на базе SMC;
- стекловолокно или стеклоткань выступает в роли армирующего слоя, придающего материалу необходимую продольную и поперечную прочность;
- катализаторы полимеризации, как понятно из названия, способствуют интенсивному запуску и поддержанию этой химической реакции, причем очень важно подобрать необходимые элементы и их пропорции во избежание возникновения неоднородности структуры, трещин и т. д. вследствие возрастания скорости процесса.
Особенности производства изделий из SMC
Наиболее распространенным методом производства продукции из листов SMC крупных размеров является процесс прямого воздействия гидравлического пресс-пуансона с использованием специальных нагретых пресс-форм. Главное условие применимости того или иного пресса заключается в его возможности параллельной обработки плит в стадии технологического процесса, благодаря чему получается достичь равномерной толщины изделия на длине от трех метров. Фаворитом среди такого оборудования является прессовальное оборудование от немецкой компании Диффенбахер, занимающую эту рыночную нишу уже на протяжении многих лет.
Листы материала раскраиваются согласно с регламентом технической документации, собираются в пакет, разогреваются под воздействием микроволнового излучения и укладываются в необходимую пресс-форму. На этом этапе очень важно с самого начала обеспечить правильное расположение всего пакета.
Пресс-форма является массивным монолитным стальным изделием с использованием хрома как в основной структуре, так и для изготовления поверхности. Нагрев до рабочего температурного режима, который лежит в диапазоне 150-170, градусов может быть осуществлен как с применением электрических ТЭНов, так и при помощи жидкостной системы. Основные параметры, за которыми необходим постоянный контроль и от которых будет зависеть конечное качество изготавливаемой продукции, это отсутствие температурного градиента по всей площади пресс-формы и ее внутренняя механическая напряженность. Стабильность этих показателей позволяет на максимальном уровне придерживаться правил технологического процесса.
Скорость полимеризации прямо пропорциональна толщине и рельефности изделия, занимая при этом от двух до пяти минут. После того как деталь извлечена из пресс-формы, подвергнута необходимым процедурам в виде очистки от облоя и шлифовке, она полностью пригодная для дальнейших процессов — сборка, нанесение лака, непосредственная установка на свое место и конечный ввод в эксплуатацию. Как уже было замечено выше SMC имею хорошую стойкость к термическим нагрузкам, это качество позволяет применять самые различные типы нанесения лакового слоя.
Свойства SMC препрегов
Для понимания области применения этого материала полезно рассмотреть его типовые свойства, которые удовлетворяют потребности при изготовлении крупногабаритной продукции:
- количество армирующего слоя стекловолокна составляет от 20 до 40 процентов;
- плотность по всему объему от 1,40 до 1,80 грамм/см3;
- усадка на всем протяжении технологического процесса лежит в интервале от -0,1 до 0,25 процентов;
- устойчивость к механическому давлению при изгибе до 150 МПа, при растяжении до 100 МПа, модуль равен 14,000 МПа;
- ударная вязкость составляет от 30 до 12 кДж/м2;
- дугоустойчивость равна 3 минутам;
- диэлектрическая прочность до 20 киловольт на миллиметр;
- огнеупорность в соответствии с стандартом UL 94 имеет значение HB-VO на каждые 1,6 мм;
- стойкость термическим воздействиям до 250 градусов Цельсия;
- стеклование при температуре от 160 до 180 градусов Цельсия;
- гидрофильность до 0,05 процентов.
Конечно же, характеристики для какого-то конкретного изделия из SMC могут сильно отличаться в зависимости от условий применения. Но неизменными остаются минимальное значение усадки во время технологического процесса, высокая степень ударной вязкости, а также возможность конвейерной лакировки.
Главными преимуществами по отношению к аналогичным изделиям из стали является то, продукция на основе SMC не подвержена коррозии и весит значительно меньше. Также благодаря универсальности полученных элементов они могут быть интегрированы в конструкцию в виде точек крепления или лонжеронов, что резко воздействует на экономическую составляющую использования композитных материалов в положительном ключе.
Область использования
К сегодняшнему дню существует много производителей, которые реализуют продукцию из SMC препрега, ее можно перечислить по назначению:
- детали и элементы грузового, легкового и пассажирского авто и транспортного строения, такие как бампера, панели торпед и дверей, крылья и пороги, различные обтекатели и элементы багажника, подножки, масляные поддоны и т. д.;
- шкафы монтажные и электрораспределительные;
- кожухи светильников, как уличных, так и устанавливаемых на промышленной зоне;
- детали, используемые в электротехнике, складском деле и т. д.
Также необходимо назвать элементы легкового и грузового автомобилестроения, применение SMC в монтажной деятельности и обустройстве промышленного освещения/
Кузовные детали
Благодаря своей небольшой массе, препрег SMC нашел широкое применение в конструировании и изготовлении кабин как грузовых машин, так и легковых автомобилей. Простота формовки и высокая прочность дают возможность совмещать и объединять сложные конструктивные элементы без использования болтовых или сварных соединений. В Европе уже существует множество ведущих компаний-производителей, способных представить примеры таких нововведений.
Масляные поддоны
Как известно, такая деталь должна жестко отвечать весьма высоким требованиям, а именно быть устойчивой к механическим воздействиям, иметь высокую степень ударной вязкости, не допускать протечек, обладать возможностью в необходимый момент быть дополненной необходимым инженерным решением. Всеми этими качествами обладают изделия, изготовленные из SMC, причем немаловажным является то, что продукция из этого материала с легкостью вырабатывается в крупносерийных масштабах. Еще одним важнейшим преимуществом являются звукоизолирующие свойства SMC препрега, чего нельзя сказать о металлических аналогах. Конвейерная процедура выпуска масляных поддонов регламентирована не только стандартными действиями по опрессовке, снятию облоя и последующей механической обработке, но также, благодаря тщательному контролю, гарантирует почти стопроцентную вероятность отсутствия вариации размеров и микродефектов.
Шкафы для монтажной деятельности
Начало применения таких конструкций датируется началом второй половины прошлого века, а страной-основоположником является Германия, где такие шкафы и были разработаны. Начиная с того времени эта продукция стала пользоваться широким спросом в оборудовании улиц городов европейского сегмента. Поскольку такие монтажные шкафы обладают высокой степенью защиты от атмосферных воздействий, прочностью, вандалоустойчивостью, а также простотой и гибкостью в производстве, и имеют широкий спектр комплектаций, они стали массово использоваться в распределительных сетях газа, воды и электричества, а также телекоммуникационных системах.
Промышленное и потребительское освещение
Одной из немаловажных отраслей применения SMC препрега является изготовление корпусов для промышленных или уличных систем освещения. Плюсами тут является использование самых передовых принципов конвейерной обработки материала, в том числе отлив и спрессовывание с применением автоматики. Такой подход приводит к существенному снижению затрат на производство без потери качества конечной продукции.
В отличие от тех же термопластовых аналогов, корпуса из SMC препрега отличаются значительно низкой стоимостью первичного сырья, высокой степенью огнеупорности за счет отсутствия галогенов, ряда тяжелых металлов и фосфорных соединений, а также атмосферостойкостью, повышенной механической прочностью и водонепроницаемостью вследствие наличия возможности использования дополнительных герметизирующих элементов.
Особенности использования премиксов BMC
Очевидно, что основное отличие премиксов от препрегов будет заключаться в этапах технологии производства. Несмотря на то, что базовые компоненты используются одни и те же, при изготовлении BMC волокно выбирается заметно короче, от 3 до 15 мм, а также реализуется укладка повышенного количества наполнения, что отражается на возрастании в свойствах текучести и стойкости к воздействию огня и химических реагентов.
Благодаря использованию все тех же присадок, таких как полиэфирные смолы, наполнители из минералов, компоненты против усадки во время полимеризации, армирующие волокна, красители и т. д., BMC относятся к классу самых универсальных материалов в области разработки и конструирования при помощи полимеров, позволяя спроектировать и создать изделия для самых различных приложений. Как стандартных, так и весьма неординарных.
По аналогии с SMC, свойства самых распространенных премиксов BMC можно предоставить при помощи конкретных цифр, которые, однако, не исчерпают всего разнообразия всех известных типов этого материала:
- количество армирующего слоя стекловолокна составляет от 10 до 30 процентов;
- плотность по всему объему от 1,40 до 2,40 грамм/см3;
- усадка на всем протяжении технологического процесса лежит в интервале от -0,1 до 0,25 процентов;
- устойчивость к механическому давлению при изгибе до 140 МПа, при растяжении до 60 МПа, модуль равен 15,000 МПа;
- ударная вязкость составляет от 10 до 40 кДж/м2;
- дугоустойчивость равна 210 секунд;
- диэлектрическая прочность до 25 киловольт на миллиметр;
- огнеупорность в соответствии со стандартом UL 94 имеет значение HB-VO на каждые 0,8 мм;
- стойкость термическим воздействиям до 250 градусов Цельсия;
- стеклование при температуре от 160 до 210 градусов Цельсия;
- гидрофильность до 0,05 процентов.
Исходя из представленных чисел ясно, что такие элементы автомобильных агрегатов, как детали системы охлаждения и подачи топлива, различные распределительные части, контрольные датчики и крышка ГБЦ (головки блока цилиндров), изготовленные из премикса, будут отличаться высокими показателями к тепловому и химическому воздействию (горячее автомобильное масло, бензин или дизельное топливо, антифриз или тосол, тормозная жидкость, картерные газы и т.д.). Также эти детали будут обладать свойством выдерживать сильные механические нагрузки и иметь хорошую ударную вязкость.
Элементы для электротехнической промышленности должны, в первую очередь, иметь высокую степень дуговой и трекинговой устойчивости, быть трудновоспламеняемыми или полностью огнеупорными. Материал BMC V0 класса отвечает всем этим требованиям согласно международному стандарту классификации UL94 и уже при толщине в доли миллиметра обладает нужными диэлектрическими свойствами, при этом отличаясь минимальным влагопоглощением.
Как основа для изготовления рефлекторов фар для автомобильной и мото- техники, премикс показывает отличные результаты, выражающиеся в максимальной передачи формы отражающей площади без каких-либо дефектов, высокой степени термостойкости и минимальным уровнем выделения при нагреве паров вредных веществ, так называемый “fogging”.
Заготовки из BMC, предназначенные для штамповки деталей электробытовых приборов, возможно выполнить цветом из широкой палитры оттенков, а также изготовить их поверхность структурной. В конечном итоге, такие элементы будут иметь минимальную склонность к деградации цвета или окрашиванию вследствие взаимодействия с продуктами питания и высокое сопротивление активным компонентам моющих средств. Корпуса электродвигателей из премикса производятся с колоссально низкой погрешностью, не превосходящей десятки микрон, причем, не применяя механическую обработку. При этом, конечное изделие имеет высокие диэлектрические свойства и стойкость к механическим нагрузкам.
Одна из главных особенностей BMC в области конструирования и проектирования заключается в том, что для него существует не один способ формовки целевой продукции. Наряду с традиционной прямой и трансфертной прессовкой при помощи пуансона и нагреваемой стальной ванны со специальным покрытием, премиксы можно обрабатывать методом литья, по аналогии с термопластическими заготовками. Для этого необходимо использовать специализированную литьевую машину, благодаря которой на конвейере достигается максимально возможная степень автоматизации процесса, а также, учитывая большую скорость полимеризации, высокая экономическая составляющая. Это имеет превалирующее значение при ведении многосерийного производства в автомобильной, транспортной, электротехнической и других видах промышленности, выводя премикс BMC на конкурентоспособный уровень в одном ряду с известными конструкторскими термопластами.
Утилизация препрегов и премиксов
Следует заметить, что в отличие от аналогичных материалов, BMC и SMC не могут быть подвергнуты вторичной переработке из мусорных производственных отходов или старых изделий, поскольку они относятся к классу термореактивных полимеров. Конечно же, речь идет о традиционном методе, поэтому применение этих материалов нестандартном виде повторно все же возможно. Это делается при помощи использования их в качестве наполнителя при изготовлении BMC, а также в строительстве дорожных полотен, предварительно подвергнув операции дробления до фракций в диапазоне от 0,1 до 1 мм.
Также, вследствие высокой энергетической ценности и низкого уровня выброса вредных веществ в атмосферу Земли, отходы можно подвергать сжиганию наряду с обычным бытовым мусором в специальных установках, вырабатывающих энергию для обеспечения небольших сел и городов. Не является исключением и цементно-бетонная промышленность, где частицы этого материала добавляются как наполнитель.
На сегодня технология и производство, как использования, так и переработки препрегов и премиксов находятся на стадии бурного роста и занимают лидирующие позиции в сегменте полимерных соединений. Это положительный тренд, позволяющий вести новые исследования в области применимости этих материалов с широким спектром возможностей.
