Вакуумная инфузия: описание метода, технология, установка и оборудование

Композитные материалы не первый год используются в разных сферах промышленности и строительства. Изделия такого рода значительно повышают характеристики элементной базы в технике, электронных приборах и стройматериалах. При этом композиты различаются между собой по эксплуатационным свойствам, определяемым технологией изготовления. Внедрение в производственный процесс вакуумной техники изготовления материала, к примеру, позволяет получать высококачественный карбон. Однако до недавнего времени сохранялась проблема исключения лишней смолы, присутствие которой обуславливало ломкость изделия. Для максимизирования физических свойств материала посредством устранения смол применяется вакуумная инфузия, которая хоть и не гарантирует полного исключения негативных технологических факторов, но позволяет с небольшими затратами наделить конечный продукт оптимальными техническими качествами.

Общие сведения о методе

Суть метода заключается в создании разряжения внутри рабочей полости, благодаря которому происходит пропитка армирующего материала и втягивание смол. Как и при других современных методах получения композитов, в качестве формовочной полости задействуется вакуум – как правило, для организации процесса используют специальную пленку-мешок. В отличие от распространенного метода контактного формования, установка вакуумной инфузии, включающая специальную матрицу с сухим наполнителем, позволяет выпускать стеклопластики с минимальным содержанием пористых включений и более высокой степенью армирования. Для некоторых потребителей важно и другое отличие данной методики. Она предполагает существенное снижение эмиссии вредных веществ. В частности, сокращается количество стирола, наличие которого нередко становится препятствием при использовании изделий в строительстве жилых домов.

Технология выполнения

Первым делом на подготовленную оснастку с вакуумом выкладывают наполнитель, который может быть представлен и специальными веществами, и комбинированными полотнами. Затем укладываются технологические пласты, благодаря которым в дальнейшем должно обеспечиваться равномерное распределение связующего компонента. Далее на технологический пакет направляется разряжение, открывается канал допуска связующего, под воздействием уже активного вакуума происходит одновременное заполнение пустот и пропитка наполнителем. Процент пористости зависит от температуры окружающей среды, при которой выполняется вакуумная инфузия. Технология осуществления метода в промышленных условиях в среднем обеспечивает сохранение 1-0,5% пор относительно общей массы композитного изделия.

Оборудование для установки вакуумной инфузии

Основой для установки инфузии выступает упомянутая выше матрица. Это в некотором роде платформа, средние размеры которой могут соответствовать и обычной панели ламината квадратной формы, и площади производственного цеха. С точки зрения качества получаемого композита важнее обортовка матрицы, от которой зависит качество подачи связующего и функция вакуума. За формирование разряжения в системе отвечает вакуумный насос для инфузии, с помощью которого обеспечивается равномерное прижатие расходных материалов в платформе матрицы. Иными словами, он создает эффект всасывания связующих компонентов.

Для захвата смолы также применяется специальная ловушка, представляющая собой герметичную емкость. Данный технологический элемент осуществляет сбор излишков смолы, формируемых в процессе пропитки армирующего материала. Ловушка оберегает и насос от проникновения в него тех же смол. Работа инфузии невозможна и без качественной арматуры. Инфраструктуру этой части представляют фитинги и трубки, организующие работу каналов подачи связующего материала.

Наполнители для матрицы

Материалы, используемые для размещения в базовой оснастке, относятся к средствам армирования. Собственно, они и формируют основу будущего изделия и в наибольшей степени определяют его эксплуатационные свойства. В зависимости от направленности производства это могут быть углетканные наполнители, базальтовые ткани для изоляционных материалов, кевларовые арамиды и т. д. Отдельной группой представлены материалы для вакуумной инфузии, из которых в дальнейшем получаются стеклопластики. В нее входят традиционные стеклоткани, стеклоровинговые полотна, стекловуали и стекломаты. Все большее распространение получают и комбинированные ткани. В частности, благодаря сочетанию разных технико-физических свойств пользуются популярностью арамидно-карбоновые и арамидно-базальтовые наполнители.

Вспомогательные материалы

Эта группа материалов применяется только для организации самого процесса инфузии и не входит в состав конечного продукта. По мере завершения операции такие вещества удаляются. Основным компонентом этого типа является жертвенная ткань, которая предназначена для формирования ровной внутренней полости заготовки, которую образует вакуумная инфузия. Оборудование также защищается этой тканью от вытесняемых смол. Защитная функция жертвенного материала обуславливается стойкостью ее структуры к внешним воздействиям и минимальной адгезией. Кроме того, в список обязательных вспомогательных материалов входит проводящая сетка, предназначенная для вывода воздуха и подводки смолы к армирующей основе. При подготовке матрицы также используют вакуумную пленку. Ее отличает повышенный модуль растяжения порядка 400% и способность выдерживать температуру свыше 100 °C.

Связующий компонент

На связующее вещество ложится большая ответственность, поэтому к нему предъявляются высокие требования. Это должен быть материал с низкой степенью вязкости и экзотермического пика, и в то же время высокой жизнеспособностью. Соответствующее этим параметрам вещество обеспечит быстрое впитывание армирующего материала и сохранит оптимальную рабочую структуру. Для этого используют специальные смолы, благодаря которым вакуумная инфузия может обеспечивать пропитывание основ толщиной до 10 мм. Высокая жизнеспособность имеет особое значение в работе с крупными изделиями – это качество помогает завершать процесс до наступления желатинизации.

Организация подачи связующего

Практикуется организация процесса инфузии по двум схемам: кольцевой и параллельной. В первом случае размещение канала осуществляется по периметру матрицы, а места подачи связующего располагают в нише вакуумного кольца. В результате движение смолы организуется в направлении от центральной точки к периметру. При этом исключается натекание воздушных потоков, так как вакуумная инфузия будет замыкать канал в кольцо.

Организация параллельного распределения связующего предполагает противоположное размещение вакуумного канала и точки подачи смолы. В этом случае движение смолы происходит от одной стороны к другой. К минусам данной схемы относится как раз натекание воздуха по периметру оснастки, которое исключается при кольцевой подаче смолы.

Факторы определения качества изделия

Минимизировать риск получения конечного продукта неудовлетворительного качества позволит контроль нескольких параметров организации производственного процесса. В первую очередь, к ним относится герметичность вакуума – материал оболочки не должен иметь дыр или мест неплотного прилегания к наполнителю. Далее учитывается показатель вязкости смолы, который не должен быть выше 600 мПа*с, иначе процесс будет выполняться медленно и с большей вероятностью допустит образование пустот. Многое зависит и от качества выкладки тканевых слоев. Заводской метод вакуумной инфузии особенно требователен к распределению слоев углеродного материала. Правильная выкладка без неровных участков повысит шансы на получение сбалансированного по своей внутренней структуре композита.

Заключение

Искусственные материалы активно сменяют на рынке традиционное сырье. Этот процесс охватывает самые разные направления. Обуславливается распространение синтетических пластиков выгодными эксплуатационными свойствами, которыми наделяется тот же карбон или стеклопластик. В данном контексте вакуумная инфузия является лишь одним из технологических средств, позволяющих обеспечить высокие технико-физические качества получаемого материала. Изначально технологи разрабатывали этот метод как инструмент для избавления от негативных аспектов производства. В частности, инфузия сокращала наличие пустот в структуре материала. В дальнейшем метод продемонстрировал и другие положительные качества, которые выразились и в повышении экологической чистоты, и в снижении финансовых затрат на производство.