Препреги и их разновидности

Термин «препрег» с английского переводится как «предварительно пропитанный» (pre-impregnated). То есть это — уже готовый продукт, но — для дальнейшей переработки. Что же он из себя представляет?

Препрег является композитным материалом, состоящим из волокнистого армирующего наполнителя, который пропитан связующим веществом разной природы. Состав и взаимодействие между этими составляющими частями играют основную роль в процессе получения будущего изделия, чьи конечные свойства зависят именно от правильного выбора армирующего наполнителя и связующего вещества.

Тут не стоит только путать препрег с премиксом, который также представляет собой некий полуфабрикат, но состоящий из рубленых армирующих волокон, которые смешаны со связующим веществом, и имеющий консистенцию гомогенной массы.

Виды волокнистого наполнителя для препрегов

Чтобы создавать высокопрочные и высокомодульные полимерные композитные материалы, используют волокнистые наполнители: нити, жгуты, ровинги и мн. др.

Их получают:

• из металлов (вольфрам, железо, молибден или титан);

• из кварца, керамики и базальта.

Наиболее распространенными в производстве являются углеродные, стеклянные, полимерные и базальтовые волокна с круглым сечением и диаметром до 100 мкм, а также их сочетания.

Но, кроме этих, в качестве армирующих волокон используют также нитевидные кристаллы, получаемые из металлов, их окислов, карбидов и нитридов. Особенность таких волокон в том, что они наделяют будущее изделие высоким модулем упругости, а также являются очень прочными при растяжении.

Однако самыми распространенными всё же остаются углеродные нити.

Углеродные ткани в производстве препрегов

Получают углеродные волокна разными высокотехнологичными способами, описание которых попросту выйдет за рамки статьи. Но на некоторые важные моменты обратить внимание нужно.

Прежде всего следует понимать, что сегодня уже существует некоторое разнообразие текстильных структур, производимых из углеродных волокон, — например, непрерывные штапелированные нити, а также тканые и нетканые материалы. А наиболее распространенной текстильной формой сегодня являются жгуты, пряжа, ровинги, тканые и нетканые холсты.

Создание такого разнообразия тканых материалов из углеродного волокна стало возможным, так как современным технологиям удалось обойти все трудности, которые обусловливает высокий модуль упругости и малое удлинение, от чего, к тому же, стали невозможными многократные деформации.

Остальные свойства и технологии изготовления таких тканей определяются их строением, плотностью и видом плетения, характеристиками извитости пряжи и некоторыми условиями ткачества. Не углубляясь в технологический процесс, можно сказать, что, например, существует много видов плетения: как распространенные, так и редкие, специального назначения. И, выбирая какой-то конкретный вид, специалисты по карбону создают соответствующие армирующие структуры для задания разных механических свойств будущих композитов.

Благодаря всем этим качествам армирующие ткани именно из углеродных волокон сегодня наиболее распространены. По частоте использования с ними может сравниться разве что стекловолокно.

Кстати, для производства армирующих тканей для препрегов из углерода используют не только круглые в разрезе нити, но и волокна с другими типами сечения (треугольные, ромбические и др.) и называют их волокнами с профильным сечением. Также в современном производстве используют еще и полые волокна.

Зачем нужны такие сложности?

Дело в том, что таким образом можно менять плотность углепластиков, повышать их прочность при сжатии и удельную жесткость, а также менять их диэлектрические и теплоизолирующие характеристики. Полые волокна — наоборот, наиболее простой способ снизить плотность углепластика.

Связующее вещество

Это еще одна составляющая препрега, благодаря которой деталь из нее приобретает конечную форму и определенные характеристики. Такие связующие делят на термореактивные смолы и термопласты.

Термореактивные смолы

Они традиционно используются как матрица, удерживающая на месте структурное волокно. Сюда входят полиэфирные, эпоксидные, фенольные, полиимидные и другие смолы.

Самыми распространенными из таких термореактивных смол являются полиэфирная и эпоксидная смола. Их популярность обусловлена тем, что при комнатной температуре они не отверждаются и находятся в жидком состоянии, что удобно при пропитке армирующих волокон. В общем, с ними легче работать и впоследствии обрабатывать изделие. Кроме того, они демонстрируют отличные свойства при невысокой цене сырья.

Преимущества, которые обеспечивают их свойства:

• хорошая адгезия;

• устойчивость к химически агрессивным веществам и растворителям;

• стойкость при нагревании и сохранение качеств в широком диапазоне температур;

• устойчивость к разным видам отделки, таким как покраска или полировка;

• возможность получить прочность и эластичность готового изделия.

Единственное неудобство в том, что конечные изделия потом сложно утилизировать или перерабатывать.

Термопласты

Это второй тип связующего, главное преимущество которого для препрегов заключается в неограниченном сроке хранения. Хотя, кроме этого, термопластичные матрицы обладают и другими характеристиками — например, они:

• нетоксичны и взрывобезопасны;

• поддаются вторичной переработке;

• не требуют длительного процесса отверждения;

• обладают способностью к релаксации напряжений.

Выбор связующего зависит не только от предпочтений изготовителя, но и от многих иных факторов, прежде всего — от поставленных задач.

Сроки и условия хранения препрегов

По большей части это относится к препрегам с термореактивной матрицей из-за ее химической активности при комнатной температуре. Понятно, что на сроки хранения это накладывает определенные ограничения.

Также некоторые виды препрегов в составе связующего имеют низкомолекулярные добавки, требующие условий хранения композита в оригинальной упаковке. А чтобы увеличить их срок хранения, накладываются еще и определенные температурные ограничения. Так, в морозильной камере они хранятся довольно долго, что обязательно указывается на упаковке. А размораживают их при комнатной температуре точно установленное время — чтобы избежать образования конденсата. Кроме того, при хранении в холодильной камере они маркируются и укладываются таким образом, чтобы не соприкасаться друг с другом и не деформироваться под собственным весом.

Зато препреги на основе термопластичных матриц освобождены от подобных строгих условий и могут храниться при комнатной температуре без утраты своих качеств до нескольких месяцев. Общим условием их хранения является лишь защита от попадания прямого солнечного света, влияния химически активных веществ на них и от высокой температуры окружающей среды.

Как делают препреги

Сегодня есть много способов получения препрегов. Часть из них более, а часть менее популярны. К примеру, одной из наиболее часто используемых является технология пропитки сухого армирующего материала.

Также популярен метод пропитки связующим с последующей сушкой. Метод, правда, далек от идеальных требований по соблюдению экологии, но, тем не менее, не ушел в историю и всё еще активно применяется. Пропитка в каждом случае предназначена для увлажнения наполнителя и заполнения промежутков между волокнами.

Преимущества использования препрегов

Применение препрегов делает более доступным и простым изготовление карбоновой продукции на высоком профессиональном уровне с заданными прочностными и структурными характеристиками, а также качеством поверхности.

При использовании таких композитных материалов значительно упрощается технология получения деталей даже с очень сложной геометрией. Именно поэтому сегодня стало возможным изготовление их не только на крупных предприятиях, но и в более мелких, частных компаниях.

Кроме того, это повышает производительность за счет автоматизации ряда процессов, а также значительно улучшает условия труда сотрудников.

Заключение

Препреги — универсальные и экономически выгодные материалы, применяемые во многих отраслях народного хозяйства. Технологии получения их находятся в постоянном развитии, что дает реальную надежду на то, что будет повышаться их качество и при этом снижаться цена.

В связи с этим совершенствование препрегов — задача современной науки. Многое еще предстоит усовершенствовать, но и немало уже достигнуто. Например, наука продвинулась в части повышения характеристик прочности — за счет того, что стало возможным использование металлоуглеродных наполнителей и термостойких связующих.