«Инновационный Центр Композит» начал разработку волоконной технологии изготовления конструкционного гибридного тканного термопластичного препрега. Будет разработана структура ткани, которая определяется видом и толщиной формирующих ткань нитей, ее волокнистым составом, степенью и направлением крутки, характером их переплетения и плотностью. Данная задача будет решаться совместно с моделированием процесса монолитизации волокнистых полуфабрикатов при формовании изделий и численным моделированием текучих процессов. Это позволит снизить время и затраты на разработку препрега и термопластичного композита с требующимися техническими характеристиками, так как эта задача объясняется сложностью прогнозирования свойств таких материалов на основании их структуры и состава, а также технологии их изготовления. Свойства данного материала формируются на атомно-молекулярном уровне элементов его сьтруктуры. Характерные временные масштабы атомно-молекулярных процессов составляют пикосекунды, то есть 10-12 с. Для того, чтобы спрогнозировать свойства изделия из термопластичного композита, жизненный цикл которого составляет, например, 108 с, нам будет нужно иметь теорию, которая могла бы предсказывать протекание процессов, занимающих более 20 десятичных порядков по шкале времени, для этого будет применен подход многомасштабного моделирования. Суть данного метода состоит в том, что для описания столь длительных процессов мы используем одновременно теории, основанные на различных физических принципах: с помощью квантовой механики описываем структуру атомов и молекул, динамику диффузионных процессов моделируем с помощью уравнений классической механики Ньютона, а свойства всего изделия описываем методами механики сплошной среды Эйлера и Лагранжа. Использование в работе этого метода позволит спрогнозировать эксплуатационные свойства термопластичного композита на основе созданной структуры препрега, а также оптимизации их состава и технологии промышленного изготовления.
В качестве связующего выбран конструкционный термопласт полиэфиркетонкетон (PEKK), это полукристаллический полимер, который является уникальным, состоит из терефталевых и изофталевых компонентов, благодаря которым можно контролировать термические и механические свойства, кинетику получаемого полимера. Использование в структуре препрега РЕКК обеспечит изделию высокую термическую стабильность (температура длительной работы до 260 ºС), высокую механическую прочность, низкое дымовыделение и токсичность, свойства антиперена, предельную коррозионная стойкость по сравнению с металлами, предельную химическая инертность, отсутствие магнитных свойств и теплопроводности, отсутствие электропроводности, огнестойкость, радиационную стойкость, морозостойкость минус 100 ºС, увеличение жизненного цикла. По своим характеристикам РЕКК близок РЕЕК, В таблице 1 представлены сравнительные характеристики РЕКК и РЕЕК.
Таблица 2- Сравнительные характеристики РЕКК и РЕЕК.
Наименование характеристик
РЕКК
РЕЕК
Плотность, г/см³
1,3
1,3
Температура плавления, °С
320-330
340-360
Температура стеклования(метод ДСК),°С
156
144
Температура стеклования(метод ДМА),°С
180
170
Прочность при растяжени, кгс/мм²
10,2
10,3
Модуль упругости при растяжении, кгс/мм²
450
380
Кислородный индекс,%
40
35
К1с, кДж/м²
1
2
Огнестойкость по методике UL94
V-0
V-0
Температура переработки, °С
360-380
380-420
Вязкость расплава РЕКК, составляющая 800-900 П при 370°С и скорости сдвига 4,5с⁻¹, ниже вязкости расплава РЕЕК, что облегчает его переработку в композиционный материал. Улучшить показатель вязкости разрушении РЕКК возможно за счет введения модификаторов на стадии экструдирования волокна, на даже этот показатель в 10 раз превышает показатель эпоксидного связующего.
Ивановский Государственный Химико-Технологический Университет , на сегодняшний день имеет опытно-промышленную установку для производства данного термопласта ,будет являться соисполнителем по проекту.
Важным эксплуатационным свойствам матриц является стойкость к воде, так как вода пластифицируя полимер снижает его механические свойства. Показатели абсорбции воды за 24 часа при комнатной температуре некоторых конструкционных термопластичных связующих:
Полимер
Абсорбция воды (АСТМ D .24ч,23°С)
ПСу
0,3
ПФС
0,02
ПЭС
0,43
РЕКК0,14
Нашими специалистами совместно с специалистами ООО «ЛИРСОТ» будет доработана опытная технология экструдирования волокон РЕКК с последующим его вытяжением, скручиванием с нужными физико-механическими характеристиками полученными в процессе многомасштабного моделирования структуры термопластичного препрега и требующимися текстильными свойствами.
В качестве армирующего наполнителя выбраны два типа волокон производства компании ООО «ЛИРСОТ»: высокомодульные наноструктурированные углеродом полиимидные волокна, высокопрочные высокомодульные арамидные волокна. «Микс» в структуре ткани этих волокон в сочетании с волокном связующего РЕКК позволит получить конструкционный композиционный материал с техническими и эксплуатационными характеристиками превосходящими по ряду характеристик углепластик на основе эпоксидных связующих и РЕЕК В таблице 2 представлены свойства полиимидных и арамидных нитей которые планируется использовать в качестве армирующего наполнителя при создании гибридного термопластичного препрега.
Таблица 2 - Свойства полиимидных и арамидных нитей (Производитель ООО «ЛИРСОТ»)
Характеристика
Полиимидные нити
Арамидные нити
высокопрочное
высокомодульное
Линейная плотность, текс
29,4-58,8
29,4-58,8
3,3-100
Отклонение линейной плотности,%
-
-
+1-3
Модуль упругости при растяжении, ГПа
120
120-230
165-180
Прочность при растяжении, сН/текс
150-160
160-170
290-310
Относительное удлинение при растяжении, %
2,2-3,5
1,7-2,0
3,5 и более
Плотность, г/см3
1,5-1,54
1,45-1,48
1,46
Кислородный индекс,%
70-75
50-65
-
Прочность в микропластике, кгс/мм²
-
-
650-700
Преимущества арамидных волокон:
- Прочность, превосходящая сталь в 5 раз.
- Стойкость к механическим повреждениям.
- Устойчивость к коррозийным процессам, возгоранию.
- Малая плотность и легкость.
- Невосприимчивость к перепадам температур.
- Стойкость к различным химикатам, органическим растворителям и реагентам.
- Диэлектрические характеристики – не проводят электрический ток.
Из арамидных волокон, тканей производят прочные, долговечные материалы. Арамиды всех групп превосходят по характеристикам нейлоновые нити, которые признаны одними из самых стойких на разрыв. При этом вес арамидного полотна не увеличивается. Его прочностные характеристики повышаются за счет увеличения сечения, а не плотности. Деформациям арамиды не подвержены. Они рвутся при очень высоких нагрузках, но не меняют формы. Интересное качество арамидных материалов – способность увеличения запаса прочности при морозе. Как только температура опускается ниже 0 °С, защитные качество волокон растут. При воздействии высоких температур волокна не воспламеняются, а обугливаются.
Преимущества полиимидных волокон:
- Из полиимидов получают волокна с очень высокой разрывной прочностью и хорошей стабильностью при длительном выдерживании их на воздухе при температурах выше 300° С . Эти свойства в сочетании с исключительно высокой химической стойкостью полиимидов позволяют применять полиимидные волокна в тех случаях, когда необходима термическая стабильность;
- Полиимидные волокна превосходят технические полиамидные волокна устойчивостью свойств при высоких температурах;
- Полиимидные волокна негорючие;
- Ароматические полиимидные волокна, так же как ароматические полиамидные, отличаются высокой стойкостью к действию ионизирующих излучений;
- Высокая термостойкость;
- Ткань обладает прозрачностью для электромагнитных волн;
- Полиимидные волокна характеризуются также высокой устойчивостью к сдвиговым напряжениям, обладают повышенной прочностью в петле, в мокром состоянии, к знакопеременным нагрузкам, износостойкостью;
- Сравнительно высокая устойчивость полиимидных волокон к ударным нагрузкам.
Нашими специалиста будет разработана технология изготовления конструкционного гибридного термопластичного препрега путем совмещения волокон трех типов на основе технологического процесса производства композитных текстильных материалов. Вид ткани- однонаправленная.
В качестве нитей основы будет использоваться три вида волокон с разным объемным соотношением наноструктурированное углеродом полиимидное/высокомодульное арамидное/ РЕКК волокно, с определенной линейной плотностью и механическими свойствами, а в качестве утка –РЕКК волокно. Материал будет отличаются улучшенными эксплуатационными характеристиками, иметь специфические физико- механические характеристики, которые можно регулировать введением или удалением дополнительных компонентов. Будет учитываться не только природа каждого волокна, но и их взаимное влияние на адгезию на границе волокно-матрица в композите. В разных сочетаниях свойства отдельных компонентов могут усиливаться или ослабляться, поэтому способом масштабного моделирование мы добьемся оптимальной структуры «микса». Для предотвращения разрушения волокон в процессе переработке в ткань будет разработана схема заправки ткацкой линии, чтобы нити основы имели наименьшее возможное количество перегибов по зонам ткацкого оборудования. Для определения заправочных параметров ткани (номер берда, схема проборки в бердо и ремиз, заправочная ширина ткани, заправочная плотность по основе и утку), позволяющих выработать ткань заданной структуры, необходимо провести ее технический расчет и построить заправочный рисунок. Расчет заправочных параметров будет выполнен по заданной поверхностной плотности ткани и по значениям линейных плотностей нитей.
Необходимо будет провести модернизацию рапирного ткацкого станка и обеспечить индивидуальное сматывание и подачу каждой из трех типов нитей основы в зону формования ткани, а так же индивидуальное торможение каждой нити.
Разработанная технология позволит обеспечить выравнивание натяжения нитей основы. В процессе изготовления ткани необходимо поддерживать минимальную разницу в степени натяжения между нитями основы для получения в готовой ткани равно натянутых нитей. В этом случае в процессе эксплуатации ткани будет обеспечено равномерное распределение нагрузки на волокно. Натяжение уточной нити будет установлена путем подбора торможения нити на податчике утка таким образом, чтобы не допустить провисания нити, коротких или длинных нитей утка с целью предотвращения наработки брака и нецелевого расходования ценного сырья. Будет определено минимально необходимое для стабильного протекания процесса натяжение нитей. В процессе отработке изготовления тканей будут определены технологические параметры, позволяющие получить гибридные термопластичные тканные препреги со стабильными свойствами.
Будет разработана программа проведения исследований процессов формообразования и разработка методов формования крупногабаритных элементов конструкций сложной конфигурации из гибридного тканного термопластичного препрега. Данная программа будет определять проведение исследований свойств и формообразование КТМ методами контактного формования для определения технологических параметров формования изделиий из разработанного материала, оборудование для изготовления образцов, перечень необходимых исследований и их концепцию.
На основании проведенных исследований будут разработаны технологические рекомендации по формования деталей конструкций из разработанного материала, определены основные требования к исходным материалам, вспомогательным материалам, и нормативно-технические документы для паспортизации и сертификации материала. Будут проведены исследования структуры образцов материала с целью выявления содержания летучих веществ и пустот в готовом изделии и влияние их на прочность при сдвиге при разных методах формования и технологических параметрах переработки.
Разработанный термопластичный композиционный материал будет иметь преимущества в сравнении с композиционными материалами на основе эпоксидных связующих и термопластичных углепластиков, препреги которых получены по расплавной, растворной и электронно-ионной технологии:
- Технологичность при выкладке/намотке;
- Снижение себестоимости на 10-12%;
- Инвестиции в организацию производства ниже на 25%;
- Повышенная трещиностойкость / устойчивость к повреждениям;
- Неограниченный срок хранения;
- Быстрый процесс производства;
- Возможность вторичной переработки;
- Ремонтопригодность (возможности сварки);
- Надёжность и долговечность – увеличение жизненного цикла / сокращение межсервисного интервала;
- Снижение стоимости готовых изделий за счет сокращения количества компонентов – сложные формы, свобода дизайна;
- Высокая коррозионная стойкость (нефть, газ, H2S, CO2);
- Износостойкость;
- Долговременная теплостойкость в диапазоне от - 100°С до +260°С;
- Химическая инертность, токсикологическая безопасность;
- Рентгенопрозрачность, радиационная стойкость (выше 109 Рад);
- Прочность на изгиб готового изделия в 7 раз выше, чем у алюминия;
- Показатель прочности достигает уровня 600 МПа/г/см3;
- Минимальное содержание летучих конденсируемых веществ (CVCM 0,00% по стандарту ASTM E595);
- Отсутствие магнитных свойств;
- Негорючий материал по своей природе (без дополнительных антипиренов).
В процессе выполнения поставленных задач нашими специалистами будет разработан классификатор деталей, изготавливаемых рекомендуемыми методами формования из гибридного тканного термопластичного препрега и его назначение. На основе классификатора определены основные параметры требующегося оборудования – предельные габариты и конфигурация изготавливаемых деталей.
Разработка гибридного тканного термопластичного препрега за счет его технологичности и его уникальных свойств позволит расширить сферу применения в различных отраслях промышленности для изготовления слабо-средне- и высоконагруженных х конструкций, работающих при температурах от -100 до +260°С:
- Автомобилестроение;
- Авиастроение и космическая отрасль;
- Судостроение;
- Спорт инвентарь;
- Производственные предприятия: антикоррозийная и химическая защита газоходов, трубопроводов;
- Дизайн: создание интерьерного декора, элементов ландшафтного дизайна.
В рамках данного проекта будет решаться экологический аспект при организации производства. Будет разработана технология переработки отходов производства и технологические рекомендации по использованию при вторичной переработке, определены методы и технологические режимы переработки.