RU2488486C1

RU2488486C1 - Method of producing hollow articles from composite materials

Info

Publication number: RU2488486C1
Application number: RU2012107989/05A
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Каблов; Денис Вячеславович Гращенков; Александр Евгеньевич Раскутин; Вдадислав Николаевич Шепель; Константин Сергеевич Мишуров
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-07-27

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to forming structure from polymer composites intended for construction of pre-engineered arch bridges, tunnels, hangars and the like. In compliance with this method, inflatable inner shell is filled with gas to plane reinforcing filler and binder thereon. Extra outer shell of band-like resilient material is applied on reinforcing filler with binder to harden the binder and to remove inner and outer shells. Inner shell represents a forming component is made of resilient material arranged calibrated elastic hose. Prior to placing reinforcing filler on inner shell it is arranged on berth to shape the article as required. Used binder represents polymer composition of cold hardening. Reinforcing filler is impregnated with binder after its placing onto shell inner surface. After binder curing and removal of extra outer shell next layers are formed from reinforcing filler and binder unless required thickness of hollow articles is made.

EFFECT: production of preset-curvature constant-diameter long-sized articles.

6 cl, 1 dwg, 4 ex

Description

Изобретение относится к области технологии формования конструкций из полимерных композиционных материалов на основе армирующих волокнистых наполнителей и полимерных связующих, которые могут быть использованы в качестве формующей опалубки и основного несущего элемента при изготовлении быстровозводимых арочных мостов, при сооружении тоннелей, ангаров и других строительных конструкций.The invention relates to the field of technology for the formation of structures made of polymer composite materials based on reinforcing fibrous fillers and polymer binders, which can be used as a formwork and a main supporting element in the manufacture of prefabricated arch bridges, in the construction of tunnels, hangars and other building structures.

Известен способ получения полого композитного конструкционного элемента, используемого в качестве строительного материала, который включает нанесение на трубообразную стенку надувной камеры армирующей тканой оплетки и гибкого воздухонепроницаемого слоя. Затем армирующую тканую оплетку пропитывают придающим жесткость материалом - связующим методом инфузии (заявка США №2011/0012282).A known method of obtaining a hollow composite structural element used as a building material, which includes applying to the tube-shaped wall of the inflatable chamber a reinforcing woven braid and a flexible airtight layer. Then, the reinforcing woven braid is impregnated with a stiffening material — the binder method of infusion (US Application No. 2011/0012282).

Недостатком изобретения является необходимость использования специализированного оборудования для изготовления тканой армирующей оплетки (в виде чулка). Армирующий наполнитель в виде оплетки имеет фиксированную ориентацию армирующих жгутов и реализует одну возможную структуру армирования, зависящую от диаметра используемого чулка и диаметра конечного изделия. Невозможно изготовление полых конструкционных элементов с различными схемами армирования для компенсации напряжений действующих на полую конструкцию при изменении конструкционных нагрузок.The disadvantage of the invention is the need to use specialized equipment for the manufacture of a woven reinforcing braid (in the form of a stocking). The braid reinforcing filler has a fixed orientation of the reinforcing ropes and implements one possible reinforcement structure, depending on the diameter of the stocking used and the diameter of the final product. It is impossible to manufacture hollow structural elements with various reinforcement schemes to compensate for the stresses acting on the hollow structure when structural loads change.

Известен способ изготовления полых изделий из термопластичной смолы, упрочненной волокнами (углеродными, стеклянными, арамидными, SiC и др.).A known method of manufacturing hollow articles of thermoplastic resin reinforced with fibers (carbon, glass, aramid, SiC, etc.).

Способ включает изготовление препрега на основе матрицы из термопластичной смолы, размещение его между расширяемым сердечником и внешней формой, окружающей этот сердечник. Сердечник представляет собой твердую или полую оправку или композитные терморасширяемые элементы, расположенные на металлическом стержне. После размещения препрега на оправке узел нагревается до температуры равной или большей температуры пластификации термопластичной смолы и сердечник расширяется.The method includes making a prepreg based on a matrix of thermoplastic resin, placing it between the expandable core and the external form surrounding this core. The core is a solid or hollow mandrel or composite thermally expandable elements located on a metal rod. After placing the prepreg on the mandrel, the assembly is heated to a temperature equal to or greater than the plasticization temperature of the thermoplastic resin and the core expands.

Недостатком изобретения является то, что надувная оснастка содержит жесткий сердечник и не способна принимать необходимую дугообразную форму. Формование производится при повышенной температуре и требует специального оснащения оправки нагревательными элементами (заявка WO 9009272).The disadvantage of the invention is that the inflatable snap contains a rigid core and is not able to take the necessary arcuate shape. Molding is carried out at elevated temperatures and requires special equipment of the mandrel with heating elements (application WO 9009272).

Наиболее близким техническим решением и принятым за прототип является способ изготовления полых изделий из композиционных материалов, включающий заполнение газом внутренней надувной оболочки через центральный стержень, выкладку на нее армирующего материала, пропитанного термореактивным связующим, нанесение на армирующий наполнитель наружной дополнительной оболочки из упругого материала в виде ленты, намотанной виток к витку, прессование пакета армирующего наполнителя путем повышения давления во внутренней оболочке и отверждение связующего путем нагрева до заданной температуры. После отверждения внутреннюю и наружную оболочки удаляют (патент РФ №2083367).The closest technical solution and adopted as a prototype is a method of manufacturing hollow articles from composite materials, including filling gas with an internal inflatable shell through a central rod, laying on it a reinforcing material impregnated with a thermosetting binder, applying an additional additional shell from an elastic material in the form of a tape to the reinforcing filler , wound round to round, pressing the reinforcing filler package by increasing the pressure in the inner shell and curing binder by heating to a predetermined temperature. After curing, the inner and outer shells are removed (RF patent No. 2083367).

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа изготовления полых изделий из композиционных материалов, не требующий специального дорогостоящего оборудования для его осуществления, позволяющего изготавливать длинномерные изделия заданной кривизны и с постоянным диаметром сечения по всей длине изделия.The technical task of the invention is to develop a method for manufacturing hollow products from composite materials, which does not require special expensive equipment for its implementation, which makes it possible to produce long products of a given curvature and with a constant diameter across the entire length of the product.

Для выполнения указанной технической задачи предложен способ изготовления полых изделий из композиционных материалов, включающий заполнение газом надувной внутренней оболочки, выкладку на нее армирующего наполнителя и связующего, нанесение на армирующий наполнитель со связующим наружной дополнительной оболочки из упругого материала в виде ленты, отверждение связующего и удаление внутренней и наружной оболочек, в котором внутренняя оболочка является формообразующей, выполнена из упругого материала, размещенного в калиброванном армированном гибком рукаве, перед выкладкой на внутреннюю оболочку армирующего наполнителя и связующего внутреннюю оболочку размещают на стапеле, придающем полому изделию заданную кривизну, в качестве связующего используют полимерную композицию холодного отверждения, пропитку связующим армирующего наполнителя осуществляют после его выкладки на внутреннюю поверхность оболочки, а после отверждения связующего и удаления наружной дополнительной оболочки осуществляют формирование последующих слоев из армирующего наполнителя и связующего до достижения заданной толщины полого изделия.To accomplish this technical task, a method for manufacturing hollow articles from composite materials is proposed, including filling an inflatable inner shell with gas, laying a reinforcing filler and a binder on it, applying an outer additional shell of elastic material in the form of a tape to the reinforcing filler with a binder, curing the binder and removing the inner and the outer shell, in which the inner shell is forming, made of an elastic material placed in a calibrated ar the flexible sleeve, before laying on the inner shell of the reinforcing filler and the binder, the inner shell is placed on the slipway, giving the hollow product the specified curvature, the polymer composition is cold cured as the binder, the binder is impregnated with the reinforcing filler after it is laid on the inner surface of the shell, and after curing binder and removal of the outer additional shell carry out the formation of subsequent layers of reinforcing filler and binder th to achieve a predetermined thickness of the hollow body.

Внутренняя надувная формообразующая оболочка имеет штуцер для заполнения ее газом.The inner inflatable forming shell has a fitting for filling it with gas.

На калиброванном армированном гибком рукаве располагают антиадгезионный слой из упругого полимерного материала.On the calibrated reinforced flexible sleeve have a release layer of elastic polymer material.

В качестве армирующего наполнителя используют жгутовые и тканые волокнистые материалы из стекла, углерода, арамида, асбеста, карбида кремния и др.As a reinforcing filler, using tow and woven fibrous materials of glass, carbon, aramid, asbestos, silicon carbide, etc.

В качестве полимерной композиции холодного отверждения используют двухкомпонентную композицию из смеси эпоксидной диановой смолы с молекулярной массой от 340 до 540 и эпоксиуретановой смолы и отверждающей системы на основе ароматического амина.As the cold curing polymer composition, a two-component composition is used from a mixture of epoxy diane resin with a molecular weight of 340 to 540 and an epoxyurethane resin and an aromatic amine-based curing system.

В качестве упругого материала для внутренней оболочки используют любой эластичный воздухонепроницаемый материал, в частности: резину, полиуретан, полиэтилен, полиамид и другие.As an elastic material for the inner shell use any flexible airtight material, in particular: rubber, polyurethane, polyethylene, polyamide and others.

В качестве упругого материала для наружной дополнительной оболочки используют любые полимерные пленочные ленты, например из полиэтилена, полиамида, полиуретана и другие материалы, обладающие низкой адгезией к применяемой полимерной композиции холодного отверждения.As the elastic material for the outer additional shell, any polymer film tapes are used, for example, polyethylene, polyamide, polyurethane and other materials having low adhesion to the applied cold cured polymer composition.

После нанесения армирующего наполнителя его закрепляют жгутом из волокнистого материала.After applying the reinforcing filler, it is fixed with a bundle of fibrous material.

На фиг.1 изображено полое изделие из композиционного материала, установленное в стапеле.Figure 1 shows a hollow product made of composite material installed in the slipway.

Примеры осуществления предложенного способа.Examples of the proposed method.

Пример 1. Внутреннюю надувную формообразующую оболочку 1 выполненную из резины (техпластина 1 мм МБС-1, ГОСТ 7338-90), размещали в калиброванном армированном гибком рукаве 2 и заполняли газом через штуцер 3, создавая давление 0,2-0,4 кгс/см², затем размещали ее на стапеле 4. На поверхность калиброванного армированного гибкого рукава 2 наносили антиадгезионный слой 5 из полиэтилена (пленка полиэтиленовая, ГОСТ 10354-82), выполненного в виде ленты шириной 100 мм, намотанной виток к витку с нахлестом 30 мм. Далее размещали тканевый армирующий наполнитель 6 из углеродного волокна (ткань углеродная УТ-900, ТУ 1916-001-75969440-2007) на поверхности антиадгезионного слоя 5 и закрепляли его жгутом 7 из углеродного волокна (жгут углеродный УКН/5000, ГОСТ 28008-88).Example 1. The inner inflatable forming shell 1 made of rubber (technical plate 1 mm MBS-1, GOST 7338-90) was placed in a calibrated reinforced flexible sleeve 2 and filled with gas through the nozzle 3, creating a pressure of 0.2-0.4 kgf / cm ² , then placed it on the slipway 4. On the surface of the calibrated reinforced flexible sleeve 2 was applied a release layer 5 of polyethylene (polyethylene film, GOST 10354-82), made in the form of a tape 100 mm wide, wound round to round with a 30 mm overlap. Next, a fabric reinforcing filler 6 made of carbon fiber (carbon fabric UT-900, TU 1916-001-75969440-2007) was placed on the surface of the release layer 5 and fixed with a carbon fiber bundle 7 (carbon bundle UKN / 5000, GOST 28008-88) .

Связующее в виде двухкомпонентной полимерной композиции холодного отверждения (марка ВСЭ-25, ТУ 1-595-12-1245-2011) готовили порционно и сразу наносили кистью на армирующий наполнитель, после чего наносили наружную дополнительную оболочку 8 из полиэтилена (пленка полиэтиленовая, ГОСТ 10354-82) в виде ленты шириной 100 мм виток к витку с нахлестом 30 мм и выдерживали при комнатной температуре до полного отверждения связующего.A binder in the form of a two-component cold-cured polymer composition (grade VSE-25, TU 1-595-12-1245-2011) was prepared in batches and immediately applied with a brush to a reinforcing filler, after which an outer additional shell 8 of polyethylene was applied (polyethylene film, GOST 10354 -82) in the form of a tape 100 mm wide, turn to turn with a 30 mm overlap and kept at room temperature until the binder was completely cured.

После отверждения удаляли наружную оболочку 8 и наносили последующие слои армирующего наполнителя и связующего (8 слоев).After curing, the outer shell 8 was removed and subsequent layers of a reinforcing filler and a binder (8 layers) were applied.

После отверждения последнего слоя снимали наружную дополнительную оболочку 8, сбрасывали давление во внутренней оболочке 1 и удаляли ее совместно с антиадгезионным слоем 5. Снимали готовое полое изделие со стапеля 4.After curing of the last layer, the outer additional shell 8 was removed, the pressure in the inner shell 1 was relieved and it was removed together with the release layer 5. The finished hollow product was removed from the slipway 4.

Получали полое изделие дугообразной формы длиной 10 м с хордой 7 м заданной кривизны и с постоянным диаметром сечения 315 мм по всей длине изделия.A hollow arc-shaped product was obtained with a length of 10 m with a chord of 7 m of a given curvature and with a constant cross-section diameter of 315 mm along the entire length of the product.

Пример 2. Способ аналогичен примеру 1, но внутреннюю надувную формообразующую оболочку 1 выполняли из полиуретана (пленка полиуретановая, импортная), а антиадгезионный слой 5 и наружную дополнительную оболочку 8 из полипропилена (пленка полипропиленовая, ТУ 2245-001-55279928-2001), применяли связующее в виде двухкомпонентной полимерной композиции холодного отверждения (марка ЭТАЛ-1445, ТУ 2257-3570-18826195-2003).Example 2. The method is similar to example 1, but the inner inflatable forming shell 1 was made of polyurethane (polyurethane film, imported), and the release layer 5 and the outer additional shell 8 of polypropylene (polypropylene film, TU 2245-001-55279928-2001) were used a binder in the form of a two-component polymer composition of cold curing (ETAL-1445 brand, TU 2257-3570-18826195-2003).

Пример 3. Способ аналогичен примеру 1, но внутреннюю надувную формообразующую оболочку 1 выполняли из полиэтилена (пленка полиэтиленовая, ГОСТ 10354-82), а антиадгезионный слой 5 и наружную дополнительную оболочку 8 из полиуретана (пленка полиуретановая, импортная), применяли связующее в виде двухкомпонентной полимерной композиции холодного отверждения (марка Зикадур-330, импортное).Example 3. The method is similar to example 1, but the inner inflatable forming shell 1 was made of polyethylene (polyethylene film, GOST 10354-82), and the release layer 5 and the outer additional shell 8 of polyurethane (polyurethane film, imported), a binder was used in the form of a two-component polymer composition of cold curing (brand Zikadur-330, imported).

Пример 4. Способ аналогичен примеру 1, но внутреннюю надувную формообразующую оболочку 1 выполняли из полиамида (пленка полиамидная, импортная), а антиадгезионный слой 5 и наружную дополнительную оболочку 8 из поливинилхлорида (пленка ПВХ «ПГВ», ГОСТ 9998-86), применяли связующее в виде двухкомпонентной полимерной композиции холодного отверждения (марка ВСЭ-25, ТУ 1-595-12-1245-2011).Example 4. The method is similar to example 1, but the inner inflatable forming shell 1 was made of polyamide (polyamide film, imported), and the release layer 5 and the outer additional shell 8 of polyvinyl chloride (PVC film "PGV", GOST 9998-86), a binder was used in the form of a two-component polymer composition of cold curing (grade VSE-25, TU 1-595-12-1245-2011).

Использование в качестве связующего полимерной композиции холодного отверждения позволило исключить операцию нагрева и соответственно использование специальных печей.The use of cold curing as the binder polymer composition made it possible to exclude the heating operation and, accordingly, the use of special furnaces.

Использование для нанесения связующего кистей, шпателей, пульверизаторов и др. позволило упростить применяемое аппаратурное обеспечение и отказаться от использования специального вакуумного оборудования, такого как для процесса инфузии. Кроме того это позволило изготавливать полые изделия с любой толщиной стенки без применения дополнительного давления.The use of brushes, spatulas, spray guns, etc. for applying the binder made it possible to simplify the hardware used and to abandon the use of special vacuum equipment, such as for the infusion process. In addition, this made it possible to produce hollow products with any wall thickness without the use of additional pressure.

Использование калиброванного рукава позволило значительно повысить точность выполнения и постоянство диаметра полого изделия.The use of a calibrated sleeve significantly improved the accuracy of execution and the constancy of the diameter of the hollow product.

Использование гибкого рукава, не содержащего жестких элементов, как у прототипа, позволило изготовить длинномерное дугообразное полое изделие.Using a flexible sleeve that does not contain rigid elements, as in the prototype, made it possible to produce a long arcuate hollow product.

Наличие антиадгезионного слоя способствует свободному отделению готового полого изделия от внутренней оболочки.The presence of a release layer promotes the free separation of the finished hollow product from the inner shell.

В зависимости от состава используемого волокнистого армирующего наполнителя и его укладки (тканый наполнитель, однонаправленная ткань, жгутовой наполнитель и др.) можно добиться заданной высокой прочности и жесткости конструкции, что позволит использовать ее в качестве формующей опалубки и основного несущего элемента при изготовлении быстровозводимых арочных мостов, при сооружении тоннелей, ангаров и других строительных конструкций. Длинномерные полые изделия из композиционных материалов могут быть изготовлены непосредственно на месте проведения работ.Depending on the composition of the fibrous reinforcing filler used and its laying (woven filler, unidirectional fabric, tow filler, etc.), it is possible to achieve a predetermined high strength and structural rigidity, which will make it possible to use it as a formwork and a main supporting element in the manufacture of prefabricated arch bridges , in the construction of tunnels, hangars and other building structures. Long hollow products made of composite materials can be made directly at the place of work.

Claims

1. Способ изготовления полых изделий из композиционных материалов, включающий заполнение газом надувной внутренней оболочки, выкладку на нее армирующего наполнителя и связующего, нанесение на армирующий наполнитель со связующим наружной дополнительной оболочки из упругого материала в виде ленты, отверждение связующего и удаление внутренней и наружной оболочек, отличающийся тем, что внутренняя оболочка является формообразующей, выполнена из упругого материала, размещенного в калиброванном армированном гибком рукаве, перед выкладкой на внутреннюю оболочку армирующего наполнителя и связующего, внутреннюю оболочку размещают на стапеле, придающем полому изделию заданную кривизну, в качестве связующего используют полимерную композицию холодного отверждения, пропитку связующим армирующего наполнителя осуществляют после его выкладки на внутреннюю поверхность оболочки, а после отверждения связующего и удаления наружной дополнительной оболочки осуществляют формирование последующих слоев из армирующего наполнителя и связующего до достижения заданной толщины полого изделия.1. A method of manufacturing hollow articles from composite materials, including filling an inflatable inner shell with gas, laying a reinforcing filler and a binder on it, applying an outer additional shell of elastic material in the form of a tape to the reinforcing filler with a binder, curing the binder and removing the inner and outer shells, characterized in that the inner shell is forming, made of an elastic material placed in a calibrated reinforced flexible sleeve, before laying on the inner shell of the reinforcing filler and binder, the inner shell is placed on a slipway, giving the hollow product the specified curvature, the polymer composition is cold cured as the binder, the binder is impregnated with the reinforcing filler after it is laid on the inner surface of the shell, and after the binder is cured and the external additional external is removed shells carry out the formation of subsequent layers of reinforcing filler and binder to achieve a given thickness of the hollow products.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутренняя надувная формообразующая оболочка имеет штуцер для заполнения ее газом.2. The method according to claim 1, characterized in that the inner inflatable forming shell has a fitting for filling it with gas.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на калиброванном армированном гибком рукаве расположен антиадгезионный слой из упругого полимерного материала.3. The method according to claim 1, characterized in that on the calibrated reinforced flexible sleeve is a release layer of elastic polymer material.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующего наполнителя используют жгутовые и тканые волокнистые материалы из стекла, углерода, арамида, асбеста, карбида кремния.4. The method according to claim 1, characterized in that the towing and woven fibrous materials of glass, carbon, aramid, asbestos, silicon carbide are used as a reinforcing filler.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерной композиции холодного отверждения используют двухкомпонентную композицию из смеси эпоксидной диановой смолы с молекулярной массой от 340 до 540 и эпоксиуретановой смолы и отверждающей системы на основе ароматического амина.5. The method according to claim 1, characterized in that as the polymeric composition of cold curing use a two-component composition of a mixture of epoxy Dianova resin with a molecular weight of from 340 to 540 and epoxyurethane resin and a curing system based on aromatic amine.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что после нанесения армирующего наполнителя его закрепляют жгутом из волокнистого материала. 6. The method according to claim 1, characterized in that after applying the reinforcing filler it is fixed with a bundle of fibrous material.