Компаунды (связующие) в производстве изделий из карбона

Перед тем как рассказывать о компаундах, то есть связующих веществах, что применяются для изготовления изделий из карбона, нужно внести некоторые уточнения. Дело в том, что общая технология получения изделий из углеродного волокна основана на некоторых особенностях эпоксидных или цианэфирных смол. Многие называют связующими именно их, не видя разницы в определениях. Различие же заключается в том, что смолы сами по себе связующими не являются — они становятся компаундами, только если их смешать с отвердителем и, в случае необходимости, наполнителем. Только благодаря таким связующим можно получить то самое изделие, армированное карбоном, которое и ценят за его прочность и небольшой вес.

Вообще широкое применение эпоксидных и подобных смол изначально не было тесно связано с производством изделий из углепластика. Чаще всего их использовали в качестве универсального клея, или обрабатывали ими стыки кабелей, что обеспечивало их герметичность, или заливали ими обмотки трансформаторов. Однако развитие технологий получения композитов расширило сферу применения смол.

Ныне компаунды делят на вещества холодного и горячего отверждения, что зависит от вида отвердителя, а также на множество подвидов в зависимости от составляющих в них. В производстве изделий из композитов используются почти все разновидности. Выбор зависит от размеров детали, оснастки, необходимости получения определенных характеристик и так далее.

Преимущества и недостатки компаундов холодного отверждения

Технология получения деталей из карбона с применением холодных связующих хороша при мелкосерийном производстве. Для отверждения тут не требуются слишком высокие температуры — до +110 °С (те, что выше, применяются уже к компаундам горячего отверждения). Процесс отверждения может осуществляться даже при комнатных температурах, что обеспечивает простоту и быстроту в применении.

К недостаткам таких связующих можно отнести только более низкую прочность и температуру эксплуатации. А во время использования необходимо постоянно следить за тем, чтобы из смеси качественно удалялся весь воздух.

Преимущества и недостатки компаундов горячего отверждения

Одним из главных преимуществ таких смесей является их высокая прочность и очень медленное отверждение при комнатной температуре — это дает возможность изготавливать препреги с долгим сроком хранения.

Недостатков у таких связующих практически нет, если не считать работу с высокой температурой, а также соответствующей этой температуре технологическую оснастку. Необходимо всегда обращать внимание на инструкции производителей и возможности оборудования.

Общие рекомендации выбора смол и создания компаунда

Делая выбор в пользу определенного вида смол для производства изделий из углепластика, нужно руководствоваться не только размером изготавливаемой детали, но и условиями, в которых будет эксплуатироваться вся углепластиковая конструкция, а также навыками для изготовления. Ведь от того, насколько правильно подобрано связующее, зависит целый ряд технологических и эксплуатационных параметров изделия: огнестойкость, термоустойчивость, сопротивляемость деформации и явлениям в окружающей среде. Исходя из этого нужно подбирать и отвердители с разными характеристиками.

Например, при условии, что готовое изделие из карбона планируется применять вне помещения, нужно предусмотреть влияние УФ-излучения и сделать выбор в пользу смол, обладающих сильной устойчивостью к высоким температурам и имеющих специальные добавки.

А при изготовлении крупногабаритных деталей лучше применить смолы, которые имеют длительное время отверждения, — так называемые «медленные» связующие. Такие компаунды используются еще и в случае, если у производителя нет большого опыта, но есть возможность качественно расправить и правильно разложить препрег еще до того, как начнется процесс полимеризации. При этом не нужно забывать, что этот процесс ускоряется при повышении температуры.

Как можно догадаться, использование «быстрых» смол можно рекомендовать для работы в холодных помещениях.

Отдельное внимание следует обращать на вязкость связующего. Она должна быть такой, чтобы происходило одновременное удаление легколетучих примесей, растворенных в матрице, а также чтобы обеспечивалось качественное пропитывание наполнителя. Причем это должно происходить еще до того, как будет достигнута точка гелеобразования, предшествующая окончательной полимеризации.

А вот для вакуумной инфузии вязкость компаунда не должна быть очень большой. При данной технологии связующее должно обладать вязкостью, гарантирующей беспрепятственное и легкое его передвижение, чтобы избежать появления дефектных областей либо пустот.

Кроме того, для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик будущего изделия важен не только сам тип компаунда, но и точная дозировка составляющих и их качественное смешивание. Несоблюдение этих требований снизит его характеристики: можно получить либо быстро затвердевший состав и, как следствие, высокую хрупкость конструкции, либо вообще отсутствие отверждения и напрасно потраченные материалы.

На сегодняшний день многие предприятия предлагают широкий ассортимент как смол, так и отвердителей, позволяющих управлять процессом полимеризации. Однако работа с ними требует не абы каких навыков! Учитывая это, некоторые производители реализуют уже готовые (с не смешанными ингредиентами) наборы для приготовления нужного компаунда с подробными рекомендациями используемых технологий. Также на рынке имеются разные составы, рекомендованные для разного применения: при ручной пропитке или для вакуумной инфузии. Например, составы связующего для вакуумной инфузии могут иметь повышенные термомеханические или физико-механические характеристики.

В нашей же компании Carbon Composites можно заказать уже готовый фирменный компаунд, который отлично подходит и для матрицы, и для пуансона, то есть для всей оснастки. Кроме того, данное связующее можно применять для ручной пропитки и вакуумной инфузии, вакуумного прессования, а также инжекции (RTM) — и в результате создавать идеальные изделия из композитов с необходимыми техническими характеристиками. Хотя, конечно, с таким же успехом в нашей компании можно заказать и само производство необходимых изделий из карбона.

Связующие для вакуумной инфузии

Среди всех уже перечисленных технологий сегодня наиболее распространена среди производителей изделий из углепластика именно вакуумная инфузия — ведь она более экономична и удобна при производстве крупногабаритных изделий, создавать которые любым другим способом гораздо дороже. Также вакуумная инфузия исключает непосредственный контакт производителя со смолами и характеризуется практически нулевой эмиссией — это не только снижает риск испортить здоровье работника, но и не допускает дополнительных затрат на установку сложных дорогостоящих вентиляционных систем. При этом данная технология увеличивает прочность изделий практически в два раза, если сравнивать с ручной технологией контактной или вакуумной формовки.

Иными словами, это самая лучшая и самая популярная технология для производства изделий из композитов на сегодняшний день. Но и самая требовательная к подбору компаунда: его вязкости и скорости отверждения. Поэтому чтобы вакуумная инфузия сработала максимально, нужно с особой тщательностью подбирать для нее связующие. Компаунд от Carbon Composites тут придется как раз кстати.

Компаунды для биндерных систем

Биндер — это упрочняющий агент, который также называют связующим расплавного типа. Он представляет собой особые термопластичные волокна, которые при пропитке компаундом растворяются в нем, усиливая прочность карбона по всему объему изделия. Используется он для углепластиковых средненагруженных и низконагруженных деталей, которые планируется применять при температуре свыше +80 °С.

А биндерные системы — это запатентованные разработки, которые дают возможность вплетать упрочняющий агент практически в любую текстильную заготовку. Так получают композиты с высокой механической и ударной прочностью, а также устойчивостью к высоким нагрузкам при одновременном снижении массы.

Разработка подобных систем была продиктована некоторыми недостатками вакуумной инфузии, среди которых — труднодостижимые параметры высоконагруженных конструкций. Для получения таких конструкций необходимо применять термопластичные агенты с высокой вязкостью. Это усложняет пропитку и требует для нее более высоких температур, а для впрыска — более высокого давления. Сегодня это является довольно сложной проблемой, так как с этим можно было бы справляться, если бы не ограничения, касающиеся температурных интервалов отверждения термореактивных смол. Ибо игнорирование этих исходных условий приводит к преждевременному гелеобразованию.

В связи с этим тема связующих достойна не одной серьезной научной диссертации, поскольку производство изделий из карбона (в т. ч. сложных и высоконагруженных) с заданными характеристиками давно находится в ожидании более дешевых технологий.