Стеклопластик — это полимерный композиционный материал, в котором стеклянные волокна выполняют функцию армирования, а полимерное связующее формирует матрицу, объединяющую их в единую конструкцию. В международной технической литературе для таких материалов часто используются обозначения GFRP — Glass Fiber Reinforced Polymer и GRP — Glass Reinforced Plastic.
Благодаря сочетанию стеклянного армирования и полимерной матрицы стеклопластики позволяют получать относительно легкие, прочные, коррозионностойкие и электроизоляционные конструкции. Материал применяется в авиационной и беспилотной технике, судостроении, автомобилестроении, энергетике, медицине, спортивном оборудовании и других областях.
При этом понятие «стеклопластик» необходимо отличать от стекловолокна и стеклоткани. Стеклянное волокно является исходным армирующим материалом, стеклоткань — одной из форм организации этого волокна, а стеклопластик представляет собой уже готовый композиционный материал после объединения армирования с полимерным связующим и его отверждения.
Для производства изделий из ПКМ могут применяться как обычные стеклянные ткани, так и технологически подготовленные материалы. Например, ИТЕКМА производит стеклянные ткани с термоактивируемым биндером, который облегчает раскрой, выкладку и фиксацию армирующих слоев при подготовке преформы.
Стеклянные ткани с биндером ИТЕКМА
В наиболее общем виде стеклопластик состоит из двух основных компонентов:
В качестве армирования могут использоваться стеклянные ткани, ленты, маты, ровинги и другие материалы на основе стеклянных волокон.
Полимерная матрица формируется связующим. В промышленном производстве применяются различные классы связующих, включая эпоксидные, полиэфирные, винилэфирные и другие системы.
Именно совместная работа двух компонентов формирует свойства стеклопластика. Стеклянные волокна обеспечивают армирование конструкции и воспринимают значительную часть механических нагрузок, а полимерная матрица фиксирует их положение, распределяет нагрузку между волокнами и слоями, формирует геометрию изделия и защищает армирование от воздействия внешней среды.
Стеклянное волокно получают из стеклообразующих материалов в виде очень тонких филаментов. Отдельные филаменты объединяются в нити и жгуты, которые затем могут перерабатываться в тканые и другие виды армирующих материалов.
Существуют различные типы стеклянного волокна, отличающиеся химическим составом и характеристиками. Поэтому понятие «стекловолокно» объединяет целое семейство армирующих материалов.
Для конструкционных ПКМ стеклянное волокно представляет интерес благодаря сочетанию механических характеристик, технологичности, электроизоляционных свойств и сравнительно доступной стоимости.
При этом свойства готовой детали определяются далеко не только характеристиками самого волокна. Большое значение имеют его направление в конструкции, вид армирующего материала, тип связующего, содержание компонентов и технология формования.
Стеклоткань — это текстильный армирующий материал, изготовленный путем переплетения нитей или жгутов из стеклянного волокна.
Как и другие технические ткани, стеклоткань содержит систему основы и утка. Способ их взаимного переплетения определяет структуру материала.
В зависимости от назначения могут использоваться полотняное, саржевое, сатиновое и другие виды переплетения.
Архитектура ткани влияет на ее драпируемость, стабильность при раскрое и выкладке, способность повторять сложную геометрию формы и структуру армирования готового ПКМ.
Стеклоткань и стеклопластик являются разными материалами и находятся на разных этапах технологического процесса.
Стеклоткань представляет собой сухой армирующий материал на основе стеклянных волокон.
Стеклопластик — это готовый композиционный материал, в котором стеклянное армирование объединено с отвержденной полимерной матрицей.
Поэтому из одной и той же стеклоткани потенциально можно получать разные по характеристикам ПКМ в зависимости от выбранного связующего, содержания армирования, схемы укладки и режима формования.
Особенность композитов заключается в том, что отдельные компоненты выполняют разные функции.
Стеклянные волокна обладают высокой прочностью при растяжении и выполняют основную армирующую функцию.
Полимерная матрица удерживает волокна в расчетном положении и обеспечивает передачу нагрузок между отдельными филаментами и слоями.
Поэтому стеклопластик нельзя рассматривать как просто стеклянную ткань, покрытую пластиком. Характеристики конструкции зависят от взаимодействия армирования и матрицы как единой системы.
Особое значение имеет граница раздела между стеклянным волокном и связующим. Чем эффективнее обеспечивается взаимодействие этих компонентов, тем лучше нагрузка может передаваться внутри композиционного материала.
Стеклоткань с биндером — это армирующий материал, на поверхность которого дополнительно нанесено небольшое количество специального связующего компонента для технологической фиксации ткани.
В данном случае важно не путать биндер с основным полимерным связующим будущего стеклопластика.
Основное связующее при последующей пропитке формирует полимерную матрицу всего ПКМ.
Биндер выполняет другую задачу: помогает зафиксировать армирующий материал во время раскроя, выкладки и формирования преформы до основной пропитки.
Такой подход особенно полезен при изготовлении многослойных и геометрически сложных заготовок, в которых необходимо сохранить расположение отдельных слоев до начала формования.
Сухая стеклоткань является достаточно подвижным текстильным материалом. При раскрое ее структура может деформироваться, а края — осыпаться.
Дополнительный биндер позволяет повысить технологическую стабильность материала.
Он может выполнять несколько функций:
После активации биндер обеспечивает временную фиксацию армирующих слоев, позволяя сохранить сформированную преформу до последующей пропитки основным связующим.
Термоактивируемый биндер изменяет свое состояние при повышении температуры.
При нагревании его частицы размягчаются, благодаря чему армирующие слои можно зафиксировать относительно друг друга или относительно оснастки.
После формирования преформы заготовка сохраняет заданное расположение армирования и может быть подготовлена к дальнейшим технологическим операциям.
В материалах ИТЕКМА для этих задач используется порошковый эпоксидный биндер.
В зависимости от конкретной технологии материал может наноситься с одной или двух сторон армирующего наполнителя.
Нет. Несмотря на близкое значение терминов в обычном языке, в технологии производства ПКМ они выполняют разные функции.
Биндер наносится на армирующий материал в небольшом количестве и используется прежде всего для технологической фиксации, раскроя и подготовки преформы.
Полимерное связующее используется для полноценной пропитки армирующего пакета и после отверждения формирует матрицу готового композиционного материала.
Например, при вакуумной инфузии стеклоткань с биндером сначала может быть раскроена и уложена в виде преформы, после чего весь армирующий пакет пропитывается жидким эпоксидным связующим.
Количество основного связующего в будущем ПКМ существенно выше количества технологического биндера на поверхности ткани.
Еще одно понятие, которое необходимо отличать от биндера, — аппретирование или sizing стеклянного волокна.
Аппрет наносится непосредственно на филаменты еще при производстве стеклянного волокна. Он может защищать тонкие стеклянные нити от повреждений при переработке и влиять на взаимодействие поверхности волокна с выбранной полимерной матрицей.
Биндер преформы выполняет другую функцию. Он наносится уже на армирующий материал — например, готовую стеклоткань — для фиксации ее структуры и отдельных слоев при последующих производственных операциях.
Таким образом, аппрет, биндер и основное полимерное связующее — три разных элемента технологии, несмотря на то что каждый из них может влиять на конечное качество ПКМ.
После пропитки преформы биндер остается внутри композиционного материала либо взаимодействует с основной полимерной системой.
Поэтому при подборе материала необходимо учитывать совместимость биндера и связующего.
Химически несовместимый технологический компонент потенциально способен изменять характер межслойного взаимодействия, процесс пропитки и свойства полимерной матрицы.
Именно поэтому в промышленном производстве биндер нельзя рассматривать просто как вспомогательный «клей» для ткани. Он является частью технологической системы и должен подбираться с учетом будущего ПКМ.
ИТЕКМА производит термоклеевые стеклянные ткани с порошковым эпоксидным биндером, предназначенные для использования при изготовлении изделий из ПКМ.
Биндер облегчает фиксацию армирующего пакета перед пропиткой и способствует сохранению структуры ткани во время раскроя и дальнейшей выкладки.
В ассортименте представлены стеклоткани с различной поверхностной плотностью и разными видами переплетения.
Например, стеклоткань ТСТ/Т-64(ВМП)-78 имеет поверхностную плотность около 100 г/м² и саржевое переплетение 2/2.
Стеклоткань ТСТ/Э3/1-100-76(100) имеет поверхностную плотность около 110 г/м² и полотняное переплетение.
Стеклоткань ТСТ/Э3/1-100-76(100)
Стеклоткань ТСТ/Т-10-14(92) имеет поверхностную плотность около 290 г/м² и сатиновое переплетение 8/3.
Для более массивного армирования в ассортименте представлена ТСТ/Т-25(ВМП)-78 поверхностной плотностью около 380 г/м² с полотняным переплетением.
При подготовке армирующих материалов к автоматизированному раскрою на поверхность ткани может дополнительно наноситься разделительная пленка.
Она обеспечивает более стабильное поведение материала при работе с режущим оборудованием и может использоваться при маркировке заготовок.
После раскроя пленка снимается перед дальнейшей выкладкой.
Наличие небольшого количества биндера помогает сохранить структуру армирования и снять пленку без значительной деформации полотна.
Такой подход особенно актуален при серийном производстве, где важны повторяемость геометрии заготовок и снижение количества ручных операций.
Преформа — это предварительно сформированный армирующий пакет, геометрия которого приближена к форме будущего изделия.
Вместо того чтобы укладывать каждый слой непосредственно перед пропиткой, армирующие материалы могут быть заранее раскроены, ориентированы и зафиксированы.
Использование биндера позволяет временно соединить отдельные слои и сформировать достаточно стабильную заготовку.
Преформу удобнее перемещать, устанавливать в форму и использовать при последующих процессах жидкостного формования.
Тканые армирующие материалы с технологическим биндером особенно полезны в процессах, где перед введением основного связующего необходимо сформировать стабильную сухую преформу.
К таким технологиям относятся различные варианты жидкостного формования композитов, включая вакуумную инфузию и RTM.
Конкретная применимость ткани зависит от ее характеристик, состава биндера, используемой матрицы и производственного процесса.
Также биндер может облегчать ручную выкладку многослойных армирующих пакетов сложной геометрии.
При вакуумной инфузии сухой армирующий материал укладывается в форму.
Если используется стеклоткань с биндером, отдельные элементы сначала можно раскроить и сформировать из них стабильную преформу.
После выкладки конструкция закрывается вакуумным пакетом, из которого удаляется воздух.
Под действием перепада давления жидкое связующее поступает в армирующий пакет и постепенно пропитывает стеклянные волокна.
После завершения пропитки связующее отверждается, образуя твердую полимерную матрицу.
В результате сухая стеклоткань превращается в часть монолитной стеклопластиковой конструкции.
Связующие ИТЕКМА для производства ПКМ
RTM — Resin Transfer Molding — относится к технологиям формования в закрытой форме.
Армирующая преформа предварительно размещается между формообразующими поверхностями, после чего форма закрывается.
Полимерное связующее подается внутрь и пропитывает сухое армирование.
Для этого процесса особенно важно сохранить заданное расположение волокон и слоев при установке преформы в форму и во время подачи связующего.
Именно здесь технологическая фиксация армирования с помощью биндера может значительно упростить производственный процесс.
Да. Стеклоткань широко применяется совместно с эпоксидными связующими для производства стеклопластиков.
После пропитки и отверждения эпоксидная система формирует полимерную матрицу, а стеклянные волокна остаются внутри нее в качестве армирующего компонента.
В ассортименте ИТЕКМА представлены эпоксидные связующие, предназначенные для производства ПКМ различными способами, включая вакуумную инфузию, RTM, намотку и ручное ламинирование.
При выборе системы необходимо учитывать совместимость армирующего материала и связующего, требуемую вязкость, технологическое окно и режим отверждения.
Сухую стеклоткань необходимо пропитать полимерным связующим непосредственно в процессе изготовления детали.
Стеклянный препрег уже содержит заранее нанесенное и дозированное количество связующего.
Поэтому препрег является более готовым к формованию полуфабрикатом.
ИТЕКМА выпускает препреги на основе стеклянных тканей и различных полимерных систем.
Например, в эпоксидной линейке в качестве армирования используются стеклоткани Т-64(ВМП)-78, Т-10-14(92) и Т-25(ВМП)-78.
Таким образом, одна и та же базовая стеклянная армирующая структура может использоваться как в сухом виде для последующей пропитки, так и в составе заранее изготовленного препрега.
Характеристики стеклопластика могут существенно различаться в зависимости от используемого армирования и матрицы.
В общем случае к преимуществам стеклопластиков относят:
При этом нельзя приписывать одинаковые характеристики всем стеклопластикам.
Например, рабочая температура, химическая стойкость и механические свойства непосредственно зависят от типа полимерной матрицы и конструкции армирования.
Главное различие заключается в типе армирующего волокна.
В стеклопластике используется стеклянное армирование, а в углепластике — углеродное.
Углеродные волокна позволяют получать композиционные материалы с особенно высокой удельной жесткостью, однако обычно являются более дорогим армирующим материалом.
Стекловолокно обеспечивает хороший баланс стоимости, механических характеристик и технологичности.
Еще одно важное отличие связано с электрическими свойствами: углеродное армирование электропроводно, тогда как стеклянные волокна позволяют создавать электроизоляционные композиционные конструкции.
Поэтому выбор между стекло- и углепластиком определяется не только механическими характеристиками, но и назначением изделия.
Стеклопластиковые материалы используются во множестве отраслей.
К основным направлениям относятся:
На странице стеклянных тканей с биндером ИТЕКМА среди направлений применения отдельно представлены БПЛА, медицина, судостроение, спорт и автомобильная промышленность.
Одним из характерных свойств стеклянного армирования является отсутствие электропроводности, свойственной углеродным волокнам.
Поэтому определенные стеклопластиковые системы могут использоваться там, где требуется сочетание конструкционных и электроизоляционных характеристик.
При этом реальные диэлектрические показатели готового материала определяются не только армированием, но и выбранной полимерной матрицей, содержанием компонентов, влажностью и другими факторами.
Нельзя определить прочность стеклопластика только по названию используемой стеклоткани.
На характеристики готовой конструкции одновременно влияют:
Поэтому проектирование стеклопластиковой конструкции всегда предполагает подбор всей системы материалов, а не только армирующей ткани.
Стеклопластик относится к композиционным материалам, свойства которых могут зависеть от направления нагрузки.
При проектировании детали слои стеклоткани ориентируются таким образом, чтобы армирующие волокна воспринимали основные эксплуатационные нагрузки.
Несколько слоев могут быть уложены под различными углами друг к другу.
Такой подход позволяет формировать структуру материала непосредственно под условия работы конкретного изделия.
Именно поэтому сохранение ориентации ткани при раскрое, перемещении и выкладке имеет большое технологическое значение.
Применение биндера помогает уменьшить нежелательное смещение армирующих элементов на этих этапах.
Автоматизированный раскрой требует, чтобы армирующий материал сохранял стабильную геометрию во время перемещения по рабочей поверхности и резания.
Для сухих тканей проблемой может становиться смещение нитей и осыпание срезанной кромки.
Предварительно нанесенный биндер увеличивает технологическую стабильность полотна и облегчает получение заготовок заданной геометрии.
На материал также может наноситься разделительная пленка, позволяющая выполнять автоматизированный раскрой и маркировку при помощи плоттера.
После раскроя подготовленные элементы могут использоваться для формирования армирующего пакета.
Выбор стеклянного армирования необходимо начинать с конструкции будущего изделия и технологии его производства.
Учитываются:
Для деталей сложной геометрии большое значение может иметь способность ткани драпироваться по поверхности формы.
Для серийного производства дополнительно становятся важными удобство автоматизированного раскроя и стабильность преформы.
В таких случаях применение стеклоткани с предварительно нанесенным биндером позволяет сократить количество отдельных технологических операций.
ИТЕКМА производит комплекс материалов, которые могут использоваться на различных этапах изготовления стеклопластиковых конструкций.
К ним относятся стеклянные ткани с биндером, предназначенные для подготовки армирующих пакетов и преформ.
Ассортимент включает материалы различной поверхностной плотности и с различными схемами переплетения, что позволяет подобрать армирование под конкретную конструкцию.
Компания также производит эпоксидные связующие для различных технологий изготовления ПКМ, включая вакуумную инфузию, RTM, ручное ламинирование и другие процессы.
Еще одно направление — препреги на основе стеклотканей, в которых армирующий материал заранее объединен с контролируемым количеством полимерного связующего.
Таким образом, при проектировании стеклопластикового изделия можно рассматривать комплексную систему материалов: сухое стеклянное армирование, технологический биндер, основное связующее или готовый препрег.
Стеклянные ткани с биндером ИТЕКМА
Стеклопластик — это композитный материал из стеклянных волокон и полимерной матрицы. Стекловолокно армирует конструкцию, а отвержденное связующее объединяет волокна в единый твердый материал.
Стеклопластик изготавливают из стеклянного армирующего материала и полимерного связующего. В качестве армирования могут использоваться стеклоткани, маты, ленты и другие формы стекловолокна, а матрицей могут служить эпоксидные и другие полимерные системы.
Нет. Стеклоткань является сухим армирующим материалом. Стеклопластик получается после объединения стеклянного армирования с полимерным связующим и его последующего отверждения.
Это стеклянная ткань, на поверхность которой нанесено небольшое количество термоактивируемого материала для технологической фиксации. Биндер помогает при раскрое, выкладке и формировании преформы перед основной пропиткой.
Биндер помогает сохранить структуру ткани после раскроя, уменьшить осыпание краев, фиксировать слои в армирующем пакете и формировать стабильную преформу сложной геометрии.
Нет. Биндер используется в небольшом количестве для технологической фиксации армирования. Основное эпоксидное или другое полимерное связующее пропитывает весь армирующий пакет и после отверждения формирует матрицу готового стеклопластика.
Аппрет наносится непосредственно на стеклянные филаменты при производстве волокна и влияет на их технологичность и взаимодействие с матрицей. Биндер наносится на готовый армирующий материал, например стеклоткань, для фиксации его структуры и формирования преформы.
Стеклоткань с биндером может использоваться для подготовки стабильной преформы перед последующей пропиткой. Конкретная совместимость материала с вакуумной инфузией определяется характеристиками ткани, биндера и выбранного основного связующего.
Да. Эпоксидные связующие широко применяются для изготовления стеклопластиков. После пропитки армирования и отверждения эпоксидная система формирует полимерную матрицу.
Однозначный ответ без указания конкретных материалов и типа нагрузки некорректен. Углепластики обычно позволяют получать более высокую удельную жесткость, тогда как стеклопластики обеспечивают привлекательное сочетание механических характеристик, технологичности, электроизоляционных свойств и стоимости.
Стеклопластиковые конструкции применяются в авиации и БПЛА, судостроении, автомобилестроении, энергетике, электротехнике, медицине, спортивном оборудовании и других промышленных областях.
В ассортименте ИТЕКМА представлены термоклеевые стеклоткани различной поверхностной плотности и с разными типами переплетения, включая ТСТ/Т-64(ВМП)-78, ТСТ/Э3/1-100-76(100), ТСТ/Т-10-14(92) и ТСТ/Т-25(ВМП)-78.
Стеклопластик — это полимерный композиционный материал, в котором стеклянное волокно выполняет функцию армирования, а отвержденное полимерное связующее формирует матрицу.
В зависимости от конструкции изделия стеклянное армирование может использоваться в виде тканей, лент, матов и других материалов. Характеристики готового ПКМ определяются типом армирования, его ориентацией, видом полимерной матрицы и технологией изготовления.
Отдельным технологическим решением являются стеклоткани с биндером. Небольшое количество термоактивируемого материала на поверхности ткани помогает уменьшить осыпание при раскрое, сохранить расположение нитей, фиксировать отдельные слои и формировать устойчивые преформы перед пропиткой.
При этом биндер необходимо отличать от основного связующего: он выполняет вспомогательную технологическую функцию и не заменяет полимерную матрицу будущего стеклопластика.
ИТЕКМА производит термоклеевые стеклянные ткани с порошковым эпоксидным биндером различной поверхностной плотности и архитектуры переплетения. Компания также выпускает эпоксидные связующие и препреги на основе стеклянного армирования, что позволяет подбирать материалы для различных технологических процессов производства ПКМ.