4.2.4 Намотка.

Сущность метода состоит в равномерной и послойной намотке пучка волокон, пропитанного связующим, на оправку, имеющую форму будущего изделия, с последующим отверждением связующего и извлечением оправки. Таким методом получают различные пустотелые изделия, имеющие форму тел вращения, трубы, бочки, цистерны, емкости и т. д.

Технологический цикл формования в зависимости от происходящих процессов разделен на следующие стадии: подготовка волокнистого наполнителя и полимерного связующего, намотка и получение заготовки изделия, отверждение связующего (при повышенной или комнатной температуре), съем изделия с оправки.

Подготовка сырья. Для намотки используют ровницу. Кроме того, для намотки используют текстильные материалы в виде лент. Волокна при необходимости предварительно обрабатываются аппретами для повышения адгезии к ним смолы.

При производстве волокна часто используются различного рода замасливатели, которые обеспечивают предотвращение механических повреждений и истирания волокон при текстильной переработке (например, для стеклянных волокон – крахмало-масляные эмульсии). В этом случае перед изготовлением ПКМ волокна промывают.

Для пропитки волокон перед намоткой применяют только термореактопластичные олигомерные связующие (эпоксидные полимеры, полиэфирные ненасыщенные смолы, фенеолформальдегидные смолы, амидоформальдегидные смолы и т.д.).

При необходимости на дорн перед намоткой наносят антиадгезионный слой, состоящий из парафина или его смеси с полиизобутиленом. Нанесение осуществляется из раствора в бензине с последующей сушкой.

Намотка. При намотке необходимо, чтобы волокно было плотно и равномерно намотано по всей поверхности оправки. Различают несколько видов намотки: прямая (окружная) намотка, спиральная (тангенциальная, кольцевая) намотка, продольно-кольцевая (продольно-поперечная) намотка, спирально-перекрестная и др.

Рис. 4.7 Схема производства изделий в форме тел вращения методом намотки: а – с возвратно-поступательным перемещением каретки вдоль дорна; б – с вращением намоточного устройства; в, г – схемы планетарной намотки с неподвижным намоточным устройством

Применяют два вида машин для намотки: 1 – токарного типа, у которых оправка вращается в одном направлении, а наматываемый на оправку армирующий материал подается кареткой, движущейся вдоль продольной оси оправки; 2 – кабельного типа, когда волокна вращаются вокруг движущейся поступательно оправки. Выбор схемы намотки определяется конфигурацией и размерами изделия. Простейшей является схема двухосной намотки, при которой дорн вращается вокруг продольной оси специальным устройством, а каретка с устройством для укладки стекложгута перемещается вдоль дорна. Углы намотки (15 - 90) и отношение радиальной и осевой прочности изделия зависят от скорости вращения дорна и перемещения каретки. Оптимальное соотношение радиальной и осевой прочности достигается при величине угла намотки  = 54,75.

Применяется также планетарная схема намотки (рис. 4.7 в, г), при которой дорн вращается вокруг одной или двух наклонных осей, а намотка осуществляется от одного торца дорна к другому под небольшим углом  к образующей. При этом устройство для намотки может вращаться вокруг дорна или быть неподвижным. В процессе намотки слои жгута должны укладываться вплотную друг к другу, но не перекрываться.

В зависимости от способа введения связующего в композицию различают сухую и влажную намотку. Ровница или полоса ткани может пропитываться смолой заранее на специальной пропиточной установке и наматываться на дорн в сухом виде. Это сухая намотка. В этом случае используют смолу, которая при комнатной температуре является твердой. При мокрой намотке пропитка ровницы или ткани осуществляется непосредственно перед ее намоткой на дорн или одновременно с намоткой на дорн путем распыления смолы на наматываемое изделие.

При сухой намотке отдельные волокна лучше смачиваются смолой, уменьшается количество микропузырей и пор в материале и скольжение ровницы при минимальных углах намотки. В материале выдерживается постоянное количество смолы. Сухая намотка позволяет поддерживать чистоту в помещении. Однако при сухой намотке оправка и намоточная композиция должны разогреваться выше температуры текучести связующего.

Преимущество способа мокрой намотки заключается в более низком контактном давлении формования, что требует оборудования с меньшей мощностью привода и лучшей формуемостью поверхностей изделия.

Ровница наматывается на дорн со строго определенным натяжением: для ровницы из волокон диаметром 5 и 9 мкм натяжение соответственно равно 1900 – 2000 и 1200 – 1400 МПа при модуле упругости волокна 4900 ГПа.

Отверждение связующего осуществляется при комнатной или повышенной температуре непосредственно на дорне. Уровень температуры отверждения обычно выбирается в зависимости от типа применяемого связующего таким образом, чтобы обеспечить заданные требования по физико-механическим характеристикам отвержденной матрицы. Технологические режимы отверждения должны обеспечивать бездефектную структуру материала в изделии при наименьших затратах энергетических ресурсов.

Не менее важной стадией процесса намотки является стадия охлаждения после горячего отверждения. Выбор оптимального режима (скорости) охлаждения отвержденного изделия должен обеспечивать снижение остаточных температурных напряжений в композите. Быстрое охлаждение может привести к растрескиванию изделия. Стадия охлаждения определяет стабильность геометрических характеристик изделия.

Извлечение дорна. Конструкция дорна должна обеспечивать его удаление без нарушения целостности изделия. В зависимости от конфигурации и размеров изделия оправки (дорны) могут быть сплошными, полыми, разъемными, надувными, выплавляемыми (из воска или парафина) или разрушаемыми (из глины или гипса). В некоторых случаях полый дорн оставляют внутри изделий для повышения их прочности и герметичности.

Процесс намотки текстильных материалов идентичен процессу намотки жгутов, только вместо жгутов на дорн наматываются ленты ( рис. 4.8. – 4.10).

а б

Рис. 4.8 Схема спирально-винтовой намотки лентой (В – ширина ленты,  - угол намотки, S – скорость перемещения каретки, k – коэффициент перекрытия лент при намотке)

Рис. 4.9 Схема спирально-перекрестной намотки: 1 – оправка, 2 – каретка поперечного смещения катушки, 3 – лента (В – ширина ленты,  - угол намотки, S – скорость перемещения каретки)

Рис. 4.10 Схема совмещенной спирально – кольцевой намотки: 1 – оправка, 2 – суппорт для спиральной намотки, 3 – ленто-пропитывающий тракт спиральных слоев, 4 – суппорт тангенциальной намотки, 5 – катушка для кольцевых слоев (В – ширина ленты,  - угол намотки, S и S₁ – скорости перемещения кареток, S  S₁)

Следует отметить, что намотка может быть полностью автоматизирована. Использо­вание стеклянных нитей или жгутов, предварительно пропитанных заданным количеством связующего, позволяет получать изделия с равномерным распределением наполнителя по объ­ему. Кроме того, намоткой можно изготавливать крупногабарит­ные изделия - баки с площадью поверхности до 135 м², цистерны диаметром 12 м и длиной 3,6 м и т. д.

Содержание волокнистого наполнителя в пластиках, перерабатываемых намоткой, достигает 60—85%, что обуславли­вает исключительно высокие показатели прочности таких мате­риалов. Для уменьшения анизотропии прочности намотанных изделий армирующий наполнитель укладывают послойно под раз­личными углами к оси вращения оправки.