Вакуумное формование стеклопластиковых оболочек

При выклейке крупногабаритных изделий из композиционных материалов — материалов, включающих в себя упрочняющий наполнитель и связующее, основная сложность заключается в получении однородной структуры. Прочность композиционного материала и все его несущие свойства во многом зависят от свойств наполнителя. Если взять наполнитель с более высокими прочностными свойствами, то и композиционный материал будет более прочным. Для изготовления крупногабаритных изделий применяют волокнистые наполнители, как тканые, так и нетканые. К тканым относятся стеклоткани различных марок, ткани из углеродных и полиамидных волокон, к нетканым — стекловолокно, крученое и ровницу, волокно-путанка и стекловойлочные маты.

На качество композиционного материала большое влияние оказывает и адгезия — свойство связующего вступать в поверхностное взаимодействие с волокнами наполнителя. Если адгезия слабая, часть микроволокон не включается в «работу» и является лишь балластом; если сильная, то материал, приобретая монолитность, получается более прочным.

В зависимости от направления наполнителя все волокнистые материалы обладают определенными свойствами. Известно, что вдоль упрочняющего волокна прочность материала в несколько раз выше. Если же материал слоистый, собран из наложенных друг на друга слоев ткани, то его прочность в межслоевом направлении не превышает прочность связующего.

В зависимости от типа связующего и наполнителя, а также от их свойств оптимальное соотношение между связующим и наполнителем составляет 40:60, 50:50. Иными словами, содержание в материале наполнителя и связующего должно быть примерно равным.


Первый принцип получения в домашних условиях оболочки достаточно высокого качества основывается именно на соблюдении оптимального соотношения между наполнителем и смолой. Эту задачу можно решить двумя способами. Первый из них заключается в том, что перед укладкой в матрицу стеклоткань нужно пропитать связующим. Затем следует взвесить массу одного слоя стеклоткани, взять по весу столько же смолы. Густую эпоксидную смолу необходимо разбавить растворителем (количество растворителя, добавляемого для улучшения пропитки, подбирают опытным путем). Полиэфирную смолу можно использовать в натуральном виде. После пропитки вес ткани следует проконтролировать. Обычно получается небольшой избыток смолы. Если смола жидкая — текучая, ткань надо отжать между резиновыми валиками, например, ручного отжимного устройства стиральной машины.

Далее пропитанную стеклоткань укладывают в матрицу или пресс-форму, прикатывая валиком или «пробивая» торцевой кистью. Чтобы получить равнопрочную структуру или близкую к равнопрочной, ткань следует поворачивать под некоторым углом к продольной оси предшествующего слоя. Углы необходимо выбирать таким образом, чтобы после укладки последнего слоя продольная ось ткани была развернута на 90°.

Второй способ выбора правильного весового соотношения между смолой и тканью также прост. Сперва требуемое количество смолы наносят на формуемую поверхность и тщательно разравнивают шпателем. Затем на этот слой накладывают совершенно сухую стеклоткань, которую прикатыванием валиком или «пробивкой» торцевой кистью пропитывают смолой. Если отдельные участки ткани не пропитались в должной мере, не спешите добавлять на них смолы. Имейте в виду, что сравнительно равномерную пропитку материала можно получить при укладке последующих слоев, немного корректируя количество смолы, наносимой на предыдущий слой стеклоткани.

Опыт ручной выклейки стеклопластиковых оболочек, в частности при изготовлении корпусов виндсерфера, показал: для уплотнения структуры еще не уплотненного материала наилучшие результаты можно получить, используя дополнительные способы. Самый доступный из них — создать избыточное давление при помощи песка, насыпанного ровным слоем внутрь матрицы. Если поверхность матрицы выпуклая, то необходимо предварительно насыпать песок в небольшие мешочки. Чтобы песок (или мешочки с ним) не приклеился к формуемой поверхности, на уплотняемую поверхность следует положить полиэтиленовую пленку.


Уплотнение песком дает вполне приемлемые результаты, однако при этом матрица должна быть прочной, не должна деформироваться под нагрузкой.

Самый надежный способ уплотнения стеклопластиковых крупногабаритных оболочек — вакуумный, для применения которого требуется дополнительное оборудование: вакуумный насос (любого типа, но желательно с электроприводом) и вакуумный мешок с приспособлением для крепления вакуумного шланга.

Для изготовления вакуумного мешка лучше всего использовать тонкий слой бензо-маслостойкой резины или кусок обычной резины, защитив ее от воздействия агрессивных жидкостей слоем полиэтилена. Собственно мешок можно также выполнить из сложенной вдвое полиэтиленовой пленки. Размеры пленки должны позволять ей плотно прилегать ко всей формуемой поверхности.

При вакуумном формовании матрица обязательно должна иметь фланец достаточной ширины, уплотненный микропористой резиной толщиной 5—6 мм. Уплотнение не обязательно вырезать из целого куска резины, его более целесообразно склеить из нескольких полосок, однако в любом случае оно должно иметь замкнутый контур. Перед склейкой резину необходимо срезать на ус так, чтобы длина среза составила 5—7 см.

При вакуумном формовании последовательность операций следующая. Прежде всего в матрицу укладывают пропитанную смолой стеклоткань такой толщины, какая необходима для получения заданной прочности. Края стеклоткани надо подрезать, чтобы они не накладывались на фланец матрицы. Затем на незатвердевшую смолу укладывают слой полиэтиленовой пленки, перфорированной по всей поверхности через 30—40 см в шахматном порядке. Далее на перфорированную пленку нужно положить слой мешковины или любого другого гигроскопичного материала, имеющего дренажный слой толщиной около 1 мм. На этот слой укладывают вакуумный мешок. Теперь, когда многослойный «пирог» готов, можно подключить вакуумный насос и начать откачку воздуха из внутренней полости под вакуумным мешком.

Что же происходит под полиэтиленовой покрышкой внутри «пирога»? Создавая разрежение, мы наружным давлением воздуха, примерно равным 1 кг/см², обеспечиваем равномерное обжатие формуемой оболочки. Легко подсчитать, что усилие, приложенное ко всей формуемой оболочке (речь идет о выклейке корпуса виндсерфера), превысит 20 т! Чтобы создать такое усилие при помощи пресса, потребуется уникальное оборудование.

Под воздействием наружного давления «пирог» уплотняется, а излишки смолы и воздушные пузырьки отжимаются из внутренних пор стеклоткани. Что же касается излишков смолы, то они через перфорированные отверстия промежуточного слоя полиэтилена будут впитываться в дренажный слой мешковины. Поскольку время отверждения различных типов смол различно и зависит от многих факторов (температуры, количества и вида отвердителя, времени хранения смолы и т. п.), мы советуем для надежности прикладывать давление в течение 20—24 ч.

Разборка «пирога» требует аккуратности. Самое сложное — отделить дренажный слой, в котором затвердели излишки смолы. Если дренажный слой не отламывается, его следует понемногу отгибать и подрубать зубильцем, стараясь при этом не повредить оболочку.

Если вообще не применять дренажный слой, излишки смолы будут затвердевать в складках вакуумного мешка в виде бугров неправильной формы. Такие осмоления можно удалить только механическим способом, но сделать это будет значительно труднее; кроме того оболочка получится более тяжелой.