В статье представлены результаты разработки препрегов с ультракоротким циклом отверждения на основе эпоксидного связующего расплавного типа CP1515. Материал ориентирован на технических специалистов, занимающихся разработкой и производством композитных материалов.
Локализация производства препрегов
В связи с развитием рынка полимерных композиционных материалов (ПКМ) в последние десятилетия объем их производства и потребления увеличился кратно. В связи с технологическим прогрессом во всех отраслях промышленности наблюдаются тенденции к повышению эффективности и производительности труда, сокращению производственного цикла и издержек на промышленных предприятиях.
Сокращение производственного цикла напрямую повышает производительность по нескольким направлениям. С этой целью во всем мире стали разрабатываться новые материалы, в том числе быстроотверждаемые связующие и препреги, которые позволяют сократить в разы цикл производства.
В условиях импортозамещения и реализации Постановления Правительства Российской Федерации от 23 декабря 2024 г. N 1875 «О мерах по предоставлению национального режима при осуществлении закупок товаров, работ, услуг для обеспечения государственных и муниципальных нужд, закупок товаров, работ, услуг отдельными видами юридических лиц» компания ООО «Композит-Изделия» осуществила локализацию выпуска препрегов на собственной производственной линии.
Сотрудниками научно-исследовательского центра (НИЦ) компании ООО «Композит-Изделия» был разработан ряд продуктов на основе эпоксидных связующих расплавного типа, а также налажен полный цикл производства: от масштабирования производства эпоксидных связующих до изготовления препрегов.
Ключевым достижением стало освоение производства препрегов с ультракоротким циклом отверждения на основе эпоксидного связующего расплавного типа, что позволяет снизить зависимость от зарубежных поставщиков и обеспечить российские предприятия современными композиционными материалами.
Производственная линия включает:
- участок смешения и модификации эпоксидных олигомеров модификаторами и добавками различной химической природы для придания конечному продукту (связующему) уникальных характеристик;
- линию нанесения связующего на армирующий наполнитель методом расплавной технологии;
- оборудование для контроля качества и упаковки готовой продукции.
Ключевым продуктом линейки быстроотверждающихся материалов стал препрег на основе связующего CP1515 и углеродного волокна. Основной сложностью было создание материала, который бы удовлетворял требованиям как вакуумного формования, так и прессования, при этом сохраняя короткий цикл отверждения и видовые характеристики (прозрачность).
Почему важен режим отверждения
Правильный выбор технологического режима отверждения критически важен для достижения оптимальных свойств композиционного материала. Отклонение от рекомендованных параметров может привести к таким негативным последствиям, как:
- неполная полимеризация связующего, остаточные напряжения в материале, низкая адгезия между слоями (при недостаточных температурах);
- термическая деструкция связующего, образование микротрещин и повышенная хрупкость (при повышенных температурах);
- пористость, непропитанные зоны (недостаточное давление);
- выдавливание связующего, нарушение соотношения волокно/матрица (избыточное давление).
Оптимальный режим отверждения обеспечивает:
- максимальную степень полимеризации связующего;
- минимальное количество дефектов структуры;
- равномерное распределение напряжений;
- достижение заявленных прочностных и эксплуатационных характеристик.
Система отвердителей для связующего CP1515
ООО «Композит-Изделия» разработало уникальную систему отвердителей для связующего CP1515, которая позволяет гибко настраивать режим отверждения под конкретные производственные задачи и оборудование заказчика. Основа решения — многокомпонентная система отвердителей с различной реакционной способностью.
| Тип компоненты системы отвердителей | Температура активации процесса | Комментарии |
|---|---|---|
| Быстроотверждающие компоненты (активаторы) | 100–120 °C | Обеспечивают начальное схватывание препрега; позволяют проводить предварительную фиксацию формы изделия |
| Основные отвердители (катализаторы средней активности) | 130–140 °C | Отвечают за основную фазу полимеризации; формируют пространственную сетку полимера с высокой плотностью сшивки |
| Высокотемпературные отвердители | 145–160 °C | Завершают процесс отверждения; повышают теплостойкость и химическую стойкость композита |
Регулирование режима отверждения достигается за счёт:
- вариации соотношения компонентов системы отвердителей (изменение пропорций позволяет смещать температурный диапазон и скорость отверждения);
- использования добавок-регуляторов скорости (специальные модификаторы замедляют или ускоряют отдельные стадии полимеризации);
- оптимизации температурно-временных параметров.
Стандартные режимы отверждения
Было разработано несколько стандартных режимов отверждения под разные типы оборудования. Температура и время отверждения приведены по техническому паспорту ResiFibe CP1515.
| Режим | Т, °C | Время, мин | Давление, МПа | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Стандартный | 150 | 10 | ≤ 1 | Серийное производство деталей средней сложности |
| Стандартный | 140 | 15 | ≤ 1 | Серийное производство деталей средней сложности |
| Энергосберегающий | 130 | 20 | ≤ 1 | Крупногабаритные изделия, ограничение по энергопотреблению |
| Энергосберегающий | 120 | 40 | ≤ 1 | Крупногабаритные изделия, ограничение по энергопотреблению |
Необходимо отметить, что вязкость связующего поддерживается на оптимальном уровне на всех стадиях процесса производства, что обеспечивает равномерное пропитывание волокна и минимизирует образование пор.
Применение уникальной системы отвердителей и автоматизированного контроля на производственном участке позволило достичь:
- гибкости настройки режима отверждения под разные задачи;
- воспроизводимости свойств композита от партии к партии;
- сокращения брака до 0,5 % за счёт точного соблюдения параметров;
- возможности адаптации под оборудование заказчика без потери качества;
- расширения диапазона возможности применения препрегов CP1515 в различных отраслях.
Полученный препрег будет оптимизированным решением для видового использования в деталях различного применения.
Свойства пластика на основе CP1515
На основе данной марки связующего и армирующего наполнителя саржевого и однонаправленного типов был получен пластик по стандартному режиму формования (вакуумное формование). Сравнительные физико-механические характеристики приведены в таблице.
| Параметр | CP1515-C200T | CP1515-C130UD |
|---|---|---|
| Тип наполнителя | Саржа | Однонаправленный |
| Поверхностная плотность, г/м² | 200 ± 10 | 130 ± 8 |
| Предел прочности при растяжении (0°), МПа, не менее | 1700 | 2100 |
| Модуль упругости при растяжении (0°), ГПа, не менее | 120 | 180 |
| Прочность на межслойный сдвиг, МПа, не менее | 65 | 75 |
| Температура стеклования, °C, не менее | 120 | 120 |
| Срок хранения при −18 °C, мес | 6 | 6 |
Дополнительно проводилось изучение влияния климатических факторов на эксплуатационные характеристики полученных материалов. Установлено, что температурно-влажностные условия существенно влияют на реологические свойства связующего, скорость отверждения и адгезионные характеристики материала.
Для обеспечения воспроизводимости результатов и корректной интерпретации данных критически важно учитывать климатические параметры при проведении испытаний и моделировании поведения препрегов в реальных условиях эксплуатации. Подробные данные о результатах климатических испытаний, а также расширенные технические характеристики исследованных препрегов предоставляются по индивидуальному запросу в виде справочных таблиц и протоколов испытаний НИЦ КИ.
Обучающий центр НИЦ КИ
В рамках развития компетенций в области композиционных материалов на базе НИЦ КИ функционирует специализированный обучающий центр по обучению работы и процессам производства полимерных композиционных материалов (ПКМ). Центр реализует программы обучения для инженеров и технологов, охватывающие полный цикл процессов: от подготовки препрегов и выбора режимов формования до контроля качества готовых изделий.
В ходе практических занятий слушатели осваивают современные методы работы с ПКМ, включая вакуумное формование, инфузионные технологии и методы непрерывного производства. Полученные знания позволяют специалистам учитывать климатические и технологические факторы, влияющие на конечные свойства композитов, что напрямую способствует повышению надёжности и воспроизводимости производственных процессов.
Заключение
Из вышеописанных данных очевидно, что разработанное связующее не только обеспечивает ультракороткое время формования, но и даёт возможность гибко регулировать процесс под конкретные производственные условия, что повышает конкурентоспособность продукции ООО «Композит-Изделия» и его клиентов, а также способствует успешной реализации программы локализации по постановлению № 1875.
Таким образом, разработанные ООО «Композит-Изделия» препреги на основе связующего CP1515 демонстрируют высокие эксплуатационные характеристики и отвечают требованиям локализации производства, установленным постановлением Правительства РФ № 719. Ключевые преимущества разработанного материала:
- ультракороткий цикл отверждения (10 минут при 150 °C), позволяющий сократить время производства и затраты на серийное производство;
- возможность гибкой регулировки процесса отверждения, что дает возможность интегрировать материал в технологический процесс любого производства;
- высокие эксплуатационные свойства и конкурентоспособность по сравнению с зарубежными и отечественными аналогами;
- широкий спектр применения в высокотехнологичных отраслях.
Внедрение данных препрегов в производство способствует развитию отечественной промышленности композиционных материалов, снижению зависимости от импорта и созданию новых изделий с улучшенными характеристиками и сокращению затрат на их производство.
Препреги CP1515 в нашем каталоге
- «Быстрые» препреги ResiFibe CP1515 на основе углеткани
- «Быстрые» препреги ResiFibe CP1515 на основе углеволокна
- Эпоксидные препреги на основе углеткани и углеволокна, на основе стеклоткани, все препреги
