Все о переработке вторсырья
и утилизации отходов

Открыть меню

Производство стеклопластика и изделий из него: технология, компоненты и оборудование

Фото 1

Стеклопластиками называют обширную группу композиционных материалов на основе стеклянных и кварцевых нитей/волокон и связующих полимерных составов.

Ассортимент изделий из стеклопластиковых материалов (далее по тексту – СПМ) необычайно разнообразен, от банальных пуговиц до корпусных деталей авиационной и ракетной техники.

Широчайшее применение СПМ находят в создании композитной стеклопластиковой арматуры.

Столь широкое распространение СПМ получили благодаря использованию вторичных ресурсов, применяемых как на этапе производства стекловолокна (бой стекла), так и в процессе формования стеклопластиковых изделий (производственные отходы).

Состав и структура

Фото 8Для изготовления стеклопластиков используют следующие материалы:

  1. Наполнители.
  2. Связующие вещества.
  3. Модифицирующие добавки – инициаторы реакции, катализаторы, отвердители, ускорители, стабилизаторы или замедлители твердения, огнеупорные добавки, пластификаторы и газообразователи и др. категории добавок, влияющих на температурный режим полимеризации связующей матрицы и на параметры физико-технических характеристик пластика.
  4. Красители, вводимые в процессе полимеризации для окраски изделий из СПМ в яркие насыщенные цвета.

Наполнители, представленные различными стекловолокнистыми материалами, получаемыми при текстильной переработке первичных стеклянных и кварцевых волокон (первичные волокна или нити производят способом вытягивания расплавленного стекла через фильеры диаметром 6-20 мкм):

  • нитями и жгутами из скрученных первичных волокон;
  • ровницей, чаще называемой стеклоровингом (от англ. roving – ровница), представляющей собой пряди из параллельных нескрученных волокон;
  • стеклотканями.

Стеклобой, добавляемый к исходному сырью для получения расплавленного стекла, должен соответствовать требованиям ГОСТ Р 56617-2015 «Ресурсосбережение. Технические требования к стеклобою, предназначенному для использования в производстве стекловолокна».

Фото 3Нитевидный наполнитель выполняет функции армирующего элемента, обеспечивающего жесткость структуры пластика и повышенную прочность стеклопластикового материала.

Столь высокую прочность СПМ придают наполнители из высокомодульных (сверхпрочных) стекловолокон.

Они обладают модулем упругости выше 50 ГПа.

Величина модуля упругости стеклопластика уступает аналогичному показателю для конструкционной стали (210 ГПа). Однако удельная прочность, которая рассчитывается как отношение предела прочности материала к плотности, у СПМ намного выше ( 90,0 у стеклопластиков против 3,1 у стали).

Показатель удельной прочности используется при сопоставлении конструкционных материалов, характеризуя степень прочности изделия при заданной массе, что актуально для авиастроительной и космической отраслей.

Стеклопластиковое изделие в несколько раз легче аналогичной равнопрочной стальной конструкции.

Связующие вещества на основе полимерных синтетических смол, выполняющие следующие функции:

  • объединение («связку») стекловолокнистого наполнителя и других компонентов в единый монолитный материал;
  • равномерное распределение внутренних напряжений и внешних механических нагрузок между нитями наполнителя;
  • защиту наполнителя от агрессивных воздействий внешней среды.

В процессе изготовления стеклопластика связующие смолы не способны проникнуть в стекловидную структуру волокон наполнителя, а только обволакивают внешнюю поверхность стеклонитей.

Связующие полимеры придают СПМ способность к формованию в изделия заданной конфигурации и требуемых размеров.

Смолы

Фото 2При изготовлении СПМ используются связующие смолы, на основе которых после соответствующей химико-технологической обработки образуется полимерная матрица, определяющая физико-химические свойства и эксплуатационные качества стеклопластика.

От химико-технологических  свойств матрицы и ее термостойкости зависит способ формообразования стеклопластикового изделия и методика утилизации отходов, образующихся в процессе его производства.

От поведения связующих смол по отношению к нагреву зависит термопластичность СПМ, заключающаяся в способности стеклопластикового изделия изменять свою форму нагреве и сохранять ее после охлаждения.

Связующие смолы, используемые в производстве стеклопластика, в зависимости от термостойких и термопластичных свойств, подразделяют на два типа: термореактивные и термопластичные.

Термореактивные

Это смолы на полиэфирной, эпоксидной, карбамидной или феноло-формальдегидной основе, состоящие из макромолекул, соединенных ковалентными пространственными связями. Образующаяся при синтезировании пластика структура необратима.

Стеклопластики на термореактивных связующих, называемые реактопластами, являются неплавкими веществами, твердеющими при нагреве.

С практической точки зрения твердение реактопластов при нагревании означает, что стеклопластики на термореактивных связующих допускают только однократную переработку для формообразования изделий. Соответственно, технологические, производственные или бытовые  отходы СПМ практически не способны к рециклированию.

Термопластичные

Смолы на полиэтиленовой, полистирольной, полиамидной и др. основе, отличающиеся линейной молекулярной структурой. Пластики на термопластичных связующих смолах, называемые термопластами, размягчаются при нагревании и восстанавливаются при охлаждении, сохраняя способность к последующей повторной переработке.

Возможность восстановления термопластами своих физических качеств создают условия для многократной их переработки, что позволяет возвращать в технологический цикл производственные отходы и утилизировать изделия, утратившие свою потребительскую ценность.

Фото 7

Особенности производства

Процессы формования изделий из СПМ весьма специфичны и зависят от множества обстоятельств, из которых определяющими являются следующие факторы:

  • вид стекловолокнистого наполнителя ( стеклонить, жгут или ровница, лента, ткань или маты);
  • тип связующей смолы – термореактивная или термопластичная.

Связующую смолу подбирают с учетом:

  • габаритов стеклопластикового изделия и его конфигурации;
  • требований к физико-механическим и техническим характеристикам изделия;
  • температурно-силовых условий эксплуатации.

Сравнительно долгое время при изготовлении стеклопластиковых изделий для нужд машиностроения, авиапрома, приборостроения и др. отраслей применялись термореактивные полимерные матрицы.

У большинства термопластичных смол низкая адгезия к стекловолокнам, что не позволяло реализовать прочностные свойства стекловолоконных наполнителей при использовании традиционных технологий изготовления пластмассовых изделий.

Такими технологиями являются литье под давлением и экструзия. Лишь с внедрением современных разработок в последние годы отмечается расширение сферы применения термопластичных связующих с соответствующей заменой термореактивных матриц.

Технологии изготовления

Как мы уже упоминали, в настоящее время существует два вида изделий из СПМ:

  1. Изделия из термопластичных смол.
  2. Изделия из термореактивных стеклопластиков.

Фото 10

Формование изделий из СПМ на термопластичной полимерной основе производится по следующим технологиям:

  • штамповка или прямое прессование на гидропрессе;
  • прокатка;
  • литье под давлением;
  • экструзия.

По сравнению с производством стеклопластиковых изделий на основе термореактивных смол, для продукции, изготовленной из термостойких термопластов, отмечают следующие достоинства:

  • более высокую стойкость к локальным повреждениям ударного типа;
  • пониженное дымообразование, малую токсичность при возгораниях;
  • хорошую ремонтопригодность благодаря свариваемости материалов;
  • малое время формообразования;
  • возможность переделки отбракованных изделий;
  • высокий показатель коэффициента использования материалов – до 95%.

Отличительной особенностью изготовления изделий из СПМ на основе термореактивных смол является предварительная укладка стекловолокнистого наполнителя (ровинг, стекломаты и т.п.) по форме конструкции и последующей заливке связующим компонентом.

Тем самым одновременно создаются и сам стеклопластиковый материал, и изделие требуемой конфигурации и размеров.

Фото 9Наиболее распространенными способами изготовления стеклополимерной продукции на основе термореактивных смол являются:

  1. Контактное формование, заключающееся в нанесении на шаблон, выполненный по форме изделия, заготовок стекловолокнистого наполнителя и последующей пропитки связующими составами. Такая методика изготовления реализуется  различными технологиями, отличающимися по способам нанесения армирующего стекловолокна и подачи термореактивного связующего.
  2. Метод намотки, используемый для изготовления тел вращения.

Рассмотрим подробнее эти технологии применительно к различным категориям изделий.

Контактное формование изделий из СПМ

Наиболее востребованными технологиями для изготовления стеклопластиковых изделий по методу контактного формования считаются:

  1. Ручное формование.
  2. Метод напыления.
  3. Вакуумная формовка.

Ручной способ

Используется в единичном и мелкосерийном производстве.

На рис. ниже показана условная схема ручного формования стеклопластикового изделия.

Связующей смолой (на схеме показана зеленым цветом) заливается слой уложенного в форме стеклоармирующего материала.

Жестким прикаточным валиком выполняется операция прикатки еще не отвердевшего стеклопластика, называемого ламинатом.

Цель прикатки – удаление пузырьков воздуха из полимерной массы.

Чем меньше воздуха остается в объеме ламината, тем прочнее и жестче будет изделие.

Фото 11

Отверждение СПМ протекает при обычной температуре окружающей среды (на уровне комнатной температуры).

После отверждения ламината готовое изделие извлекается из формы для механической обработки – обрезки облоя, высверливания отверстий и т.п.

Метод напыления

Стекловолокно в виде рубленного ровинга и связующая смола аэрозольным факелом наносятся (напыляются) на подготовленную поверхность формы-шаблона изделия.

Применение специализированного оборудования для напыления обеспечивает точную дозацию рубленных стекловолокон, связующей смолы и отвердителя, исключая образование отходов, присущее технологии ручного формования СПМ.

Использование методики напыления оправдано при изготовлении крупногабаритных конструкций типа корпусов лодок, кабин автотранспорта, отделочных панелей.

За счет отсутствия отходов стекловолоконного сырья и связующих смол обеспечивается экономное расходование материалов.

Фото 12

Вакуумная формовка

Этот метод называется также вакуумной инфузией, в процессе которой для интенсификации пропитки армирующих стеклонитей используется вакуумный прижим.

Вакуумным прижимом называют прижимное усилие, возникающее из-за разницы величин давления окружающей среды и пониженного давления на форме-шаблоне, находящейся в вакуумированном состоянии.

Процесс вакуумной формовки состоит из нескольких технологических операций:

  • укладки исходного компонента, когда армирующий стекловолокнистый материал в сухом состоянии укладывается по форме шаблона на оснастке;
  • покрытия силиконовым вакуумным мешком зоны формования с обеспечением ее герметичности;
  • подачи вовнутрь вакуумного мешка термореактивного связующего;
  • создания разрежения внутри вакуумного мешка при помощи вакуумного насоса;
  • формообразования изделия, когда под воздействием перепада давления силиконовый лист вакуумного мешка втягивается в зону формования и прижимает стекловолокна, пропитанные смолой к поверхности шаблона, выполняя функции пуансона по аналогии с прессованием;
  • принудительной подачи воздуха в вакуумный мешок;
  • извлечения готового изделия и его механических доработок.

Фото 13

При вакуумной формовке практически полностью удаляются пузырьки воздуха из полимерной массы, что существенно улучшает технико-эксплуатационные характеристики полученного стеклопластика и самого изделия.

Вакуумную формовку используют в среднесерийном и крупносерийном производстве изделий сложной конфигурации в различных областях машиностроения.

Формование изделий из СПМ методом намотки

Технология намотки используется при изготовлении в промышленных объемах стеклопластиковых изделий, имеющих форму тела вращения.

Основной тип конструкций:

  • трубы для химической, нефтяной и газовой промышленности;
  • трубы и емкости для нужд коммунального хозяйства;
  • цистерны для химреагентов и ГСМ.

Метод намотки также востребован при формовании корпусов, фюзеляжей и обтекателей самолетной и ракетной техники.

Сама по себе методика намотки несложная – пропитанные связующими реагентами стеклонити или стеклоленты наматываются на вращающуюся стальную или стеклопластиковую оправку.

Однако оборудование для производства стеклопластика является необычайно сложным по конструкции из-за необходимости постоянного контроля за ориентацией наматываемого жгута и регулировки  содержания наполнителя и связующего в полимерной матрице.

Фото 14

Оборудование для изготовления изделий из термореактивных СПМ

К основному технологическому оборудованию и вспомогательным техническим средствам, задействованным при изготовлении стеклопластиковых изделий на основе термореактивных связующих, предъявляются два основных требования:

  • обеспечение равномерной подачи стекловолокнистого наполнителя или качественной укладки армирующих стекловолокон на поверхность шаблона-матрицы;
  • обеспечение полноценной пропитки наполнителя связующим термореактивным составом.

Для каждой методики изготовления изделий из СПМ предлагаются различные модели технологического оборудования от ведущих производителей в сфере производства композитных полимеров.

Рассмотрим наиболее распространенные предложения по оборудованию для напыления, вакуумной формовки и намотки стеклопластиков.

Для напыления

Признанным лидером в производстве аппаратуры для изготовления изделий из СПМ является компания GlasCraft (Германия), которую в 2008 году приобрела компания Graco (США).

Стоимость комплекта аппаратуры, оснащенной пистолетом-распылителем рубленого ровинга и распылителем компонентов связующего состава, составляет 13 000 долл. США.

Среди других ведущих производителей техники для напыления стеклопластика отмечают другую американскую компанию — MVP ( Magnum Venus Products), успешно конкурирующую с Graco.

Из отечественных производителей качественную аппаратуру для напыления производят в цехах компании «СКБ-077».

Фото 15

Для вакуумной формовки

Приоритеты среди производителей систем вакуумной формовки те же, что и для напыления – американские Graco и MVP. Стоимость их оборудования колеблется в пределах 12- 15 тыс. долл. США.

Однако для большинства российских предпринимателей, решивших заняться изготовлением стеклопластиковых изделий, вопрос комплектования мастерской или цеха вакуумной формовки решается путем приобретения разрозненных элементов от российских, белорусских и украинских производителей, включая китайский контрафакт, и сборки на их основе полноценной вакуумной установки.

По разным оценкам в этом случае приходится затратить не более 250-400 тыс.руб.

Для примера, система для вакуумной формовки с вакуумным насосом Value и резервуаром, пригодная для изготовления стеклопластиковых изделий, предлагаемая на сайте, стоит 14750 руб.

Остается только прикупить силиконовые вакуумные мешки и оснастить предметный столик для размещения шаблона.

Для намотки

Фото 16Изготовление стеклопластиковых труб или емкостей методом намотки осуществляется на заводах по изготовлению стеклопластика, оснащенными технологическими линиями, включающими следующее оборудование:

  • намоточные станки;
  • станки пропитки и подачи сырья;
  • системы поддержки и центровки трубной оснастки;
  • систем регулировки скорости вращения.

Комплектация оборудования завода по изготовлению изделий намоткой стеклопластика осуществляется в соответствии с техническим проектом.

Стоимость оборудования для одной линии может составлять до нескольких миллионов рублей.

Измельчители для стеклопластика

В связи с широким распространением изделий из стеклопластиковых материалов остро встали вопросы утилизации технологических отходов и потерявших свою потребительскую ценность изделий.

Вследствие того, что пространственная молекулярная структура стеклопластиков-реактопластов препятствует их расплавлению или растворению, переработка отходов СПМ традиционными методами, идентичными с рециклингом полиэтиленов или полистиролов, невозможна.

В настоящее время наиболее популярной методикой утилизации стеклопластиковых отходов является использование измельченных СПМ в качестве добавок в исходное основное сырье при изготовлении неответственных изделий.

Для отдельных категорий стеклопластиковой продукции допускается добавлять измельченные отходы в объеме до 10-20% в состав исходного стекловолоконного компонента.

Фото 18В зависимости от размеров полимерных отходов используются различные измельчители и дробилки:

  • для малогабаритных кусков СПМ – молотковые и зубчатые дробилки;
  • для крупногабаритных частей – валковые дробилки;
  • вибрационные мельницы – для всех категорий отходов.

Дробление стеклопластиковых отходов сопровождается интенсивным образованием пыли, в которой содержатся мелкие частицы стекловолокон и смол.

Их вдыхание вызывает воспаления слизистой носа и вызывает проблемы со здоровьем.

В работах, связанных с изготовлением изделий из листового и рулонного стеклопластика или их переработке, необходимо руководствоваться требованиями  ГОСТ Р 53237-2008 «Стекловолокно. Общие требования безопасности при производстве и переработке».

Заключение

На примере технологий производства стеклопластиковых изделий наглядно продемонстрировано, какие позитивные результаты может приносить применение вторичных ресурсов типа стеклобоя, превращающихся по воле технологов в недорогое качественное сырье для изготовления стеклопластика.




Комментарии посетителей
  • Комментариев нет

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Сделаем вместе
планету чище