Пластмассовые композиты — самый популярный сегодня во всем мире материал для постройки маломерных судов. Около 90% зарубежного малотоннажного флота составляют лодки, катера, яхты с корпусами из стеклопластика. Да и у нас название пластиковой гребной лодки "Пелла" стало таким же нарицательным именем, как и дюралевая "Казанка". Композитные палубы и надстройки все чаще используются в составе конструкций металлических судов, оклейка стеклопластиком — уже признана как наиболее эффективный способ продления срока службы корпусов, изготовленных из дерева. На это есть причины. Композиты долговечны (включая абсолютную коррозионную стойкость), имеют хороший внешний вид, относительно легки, не требуют сложного оборудования и высокой квалификации персонала при производстве и ремонте.
В этом кратком обзоре рассмотрим основы технологии армированных пластиков, в первую очередь применительно к установившейся в России практике серийного малотоннажного судостроения.
Стеклопластик — что это?
Если не брать в расчет финикийцев, которые еще три с половиной тысячелетия назад догадались для повышения прочности своих глиняных горшков закладывать в их стенки стеклянные нити, то история композитного судостроения в современном понимании насчитывает менее века. В 1937 г. Рэй Грин — ученый из университета в Огайо — разработал принципиальную технологию применения меламино-льняного композита для изготовления первого крупного объекта — лодки. Несколькими годами раньше появилась первая промышленная стеклоткань, а в 1936 г. концерном "Дюпон" был получен патент на производство полиэфира воздействием малеинового ангидрида на некоторые сложные эфиры в присутствии перекисного катализатора и с приложением повышенного давления и температуры. В результате экспериментов Грина к 1942 г. был отработан классический состав современного "лодочного" композита. В 1947 г. американские компании "Winner Boats" и "Wizard Boats" организовали первое промышленное производство небольших мотолодок, а затем пластиковые суда начали повсеместно теснить деревянные, особенно после долгожданного падения цен на материалы в конце 50-х.
Сегодня пластиковое судостроение стало обособленной быстро развивающейся отраслью индустрии. Его прогресс подпитывается, с одной стороны, успехами активно использующего композитные материалы аэрокосмического машиностроения, с другой — усилиями научно-производственных корпораций химической промышленности, разрабатывающих специализированные системы материалов и оборудования для производства и ремонта стеклопластиковых изделий и судов в частности. Такие системы включают совместимые оптимальным образом смолы, катализаторы, армирующие материалы, стандартизованные по цветам гелевые покрытия, клеи и трехслойные заполнители, а также технологическое оборудование, машины, инструменты и средства защиты персонала.
Как известно, с физической точки зрения армированный пластик представляет собой сложный материал, который обладает свойствами, отсутствующими у его компонентов в чистом виде. Армирующие волокна прочны, но гибки и проницаемы; связующие смолы — недостаточно прочны, хотя прекрасно держат форму и устойчивы к воздействию среды. Внедрение волокна в матрицу связующего и дает эффект, равносильный созданию нового материала, прочность и жесткость которого в некоторых условиях будет сопоставима с металлами при вдвое-вчетверо более низкой плотности. Пластики не корродируют, а армирующая сетка эффективно препятствует распространению трещин при местных разрушениях. Стеклопластик прозрачен для радиоволн; в трехслойном исполнении имеет высокие термоизоляционные свойства и хорошо поглощает шумы и вибрации.
В то же время использование стекло- и органопластиков в составе корпуса судна предъявляет к ним специфические требования. В первую очередь, должно быть ограничено водопоглощение или, как его еще называют, осмос. Вода может проникать в композит через микропоры в отвердевшем связующем, а также вдоль границы контакта волокна со смолой. Осмотическое увеличение массы стеклопластиковых образцов составляет до 0.3—0.5% за 10 суток при закрытых торцах, и до 2.5% — при незащищенных торцах; потеря прочности при этом достигает 15—55% в зависимости от гидрофобных — водоотталкивающих — качеств армирующих волокон. В еще большей степени склонен к водопогло-щению пористый материал заполнителя трехслойных конструкций, популярных в спортивном и "высокотехнологичном" судостроении. Последствия такого намокания могут быть самыми неприятными: от увеличения веса корпуса судна до преждевременного старения конструкций из-за гниения, а также из-за микроразрывов при замерзании.
Судостроитель обязан уделять первоочередное внимание вопросам качества исходных материалов и их совместимости друг с другом. Важна конструктивно-технологическая дисциплина: вся поверхность пластика должна быть защищена, соответствующим декоративным гелевым покрытием (рис. 1), особенно в местах выхода армирующего волокна наружу — вдоль обрезанных кромок, у вырезов. Не последнюю роль играет и правильный уход за поверхностью пластика.
Компоненты: системный подход
Сколь велико разнообразие применяемых компонентов и материалов, столь велико и значение их качества и совместимости друг с другом. Можно добиться отверждения некой добытой "за дешево" смолы первым попавшимся под руку отвердителем да еще на стеклоткани неизвестной марки, однако ни прочности, ни долговечности полученного композита никто гарантировать не сможет. В недавние времена верфь, работающая со стеклопластиком, имела специальную лабораторию, отвечавшую за контроль качества поступающего в работу сырья. Сегодня пластиковую продукцию выпускают сотни и тысячи малых предприятий, (не говоря уже о судостроителях-любителях); иметь собственную службу качества им просто не по силам. Наилучший для них выход — комплексный подход к приобретению материалов, когда за совместимость основных компонентов отвечает единый поставщик — согарант качества. Рассмотрим стандартный набор этих компонентов.
Смолы. К смолам как технологическому связующему компоненту предъявляются следующие основные требования: хорошая смачивающая способность и адгезия к армирующему материалу; малая усадка для предотвращения "пропечатывания" рисунка волокна на поверхности изделия; не слишком высокая вязкость при достаточном периоде пригодности после замешивания катализатора ("время жизни", обычно измеряемое временем гелеобразования); быстрое окончательное отверждение, невысокая эмиссия вредных веществ. В твердом состоянии применяемые смолы мало отличаются по механическим свойствам, тем не менее их выбор очень важен, так как в основном именно смолы определяют химическую, огне- и биостойкость, а также контактную прочность готового пластика.
Эпоксидные смолы широко применяются судостроителями-любителями благодаря следующим замечательным свойствам:
- высокая адгезия к большинству наполнителей, подложек и армирующих волокон; адгезионная прочность клеев на эпоксидной основе — одна из наиболее высоких среди существующих полимеров;
- разнообразие смол и отвердителей позволяет в широких пределах варьировать свойства получаемых композитов;
- отвержденные эпоксидные смолы имеют хорошие механические характеристики при малой усадке и высокую химостойкость.
Перечисленные достоинства обусловили их применение в первую очередь при ремонте пластиковых конструкций и для повышения долговечности деревянных корпусов путем оклейки их стеклопластиком. Эпоксидные пластики широко применяются для изготовления спортинвентаря, в конструкции которого комбинируются разнообразные материалы, и в малосерийном производстве небольших по размерам изделий высокого качества — каноэ, парусных досок и т.п. Наиболее известны отечественные смолы марок ЭД1-16 и ЭД-20; их стоимость сегодня составляет около 2.0—2.5 долл./кг, что значительно дешевле зарубежных аналогов.
В то же время высокая вязкость и токсичность, а также излишняя склонность к саморазогреву при приготовлении больших объемов ограничивают применение эпоксидных смол в серийном судостроительном производстве.
Полиэфирные смолы менее вязки и, несмотря на сильный стирольный запах, менее токсичны, чем эпоксидные. Поэтому полиэфирные смолы давно и широко используются в серийном судостроении.
Еще лет 10—15 назад, когда были доступны только отечественные смолы, производство стеклопластика из них требовало немалого опыта. Все компоненты — ускорители, красители, тиксотропные и огнеупорные добавки — поставлялись независимо, и смешивались непосредственно перед употреблением, причем стабильность качества самих этих компонентов оставляла желать лучшего. В последние годы смолы доводятся до максимальной степени готовности на химических предприятиях и продаются "целевым назначением" — с учетом того, где и как они будут применены. Потребителю остается лишь добавить к смоле соответствующий инициатор. Фирмы-поставщики всегда консультируют клиентов относительно назначения и способа приготовления каждого продукта из предлагаемой гаммы. Рассмотрим некоторые основные виды применяемых в малотоннажном судостроении полиэфирных смол.
— Смолы общего назначения называют ортофталевыми; в них, как правило, присутствуют тиксотропные (препятствующие стеканию) и ускоряющие отверждение добавки, поэтому перед применением в них необходимо ввести лишь 1—2% инициатора (катализатора). Современные модификации отвечают жестким экологическим требованиям, ограничивающим эмиссию из них стирола в пределах 2—5%. В зависимости от предполагаемого технологического процесса — для ручного либо машинного нанесения — смолы могут иметь различную вязкость и различное время гелеобразования. Стоимость обычных смол находится в пределах 2.0—2.5 долл./кг.
— Смолы улучшенного качества называют еще изофталевыми, поскольку при их изготовлении используется изофталевая кислота. Стеклопластики на основе этих смол имеют более высокие потребительские свойства, устойчивы к ударным нагрузкам и нагреву; их стоимость на 20% выше стоимости обычных смол.
— Огнестойкие смолы изготавливаются с применением галогеносодержащих компонентов и содержат некоторые порошкообразные добавки (трехокись сурьмы, тригидрат алюминия), снижающие способность пластика поддерживать горение и замедляющие распространение пламени по его поверхности. Применяются для изготовления объектов, степень пожароопасности которых оговаривается соответствующими требованиями: бортовых шлюпок, элементов интерьера помещений; эти смолы дороже обычных на 40—80%;
— Смолы для изготовления технологической оснастки обеспечивают улучшенные механические свойства пластика, прежде всего — пониженную усадку и более высокую жесткость, а также имеют меньшую склонность к деформациям при экзотермическом нагреве в процессе отверждения. Они дороже обычных примерно на 25%. Существуют модификации со столь низким пиком экзотермы, что позволяют формовать оснастку за короткое время сразу толстыми (более 10 мм) слоями. Малая степень усадки смолы необходима для снижения эффекта проступания структуры армирования сквозь рабочую поверхность матрицы.
Эпоксивинилэфирные смолы. Это относительно новая разновидность полимерных материалов, производство которых было налажено в середине 60-х гг. компанией "Шелл". Они пока относятся к материалам высокой технологии и сочетают в себе достоинства полиэфирных и эпоксидных смол. По механизму отверждения они подобны полиэфирам и не содержат опасных для здоровья компонентов, а высокие адгезионные свойства и превосходная стойкость к воздействию среды сближает их с эпоксидами. Имеют те же модификации, что и полиэфирные смолы — предускоренные, с тиксотропными добавками, с малой эмиссией стирола, с повышенной огнестойкостью. Их стоимость в два раза выше стоимости обычного полиэфира.
Армирующие материалы
Стекловолокно. В подавляющем большинстве случаев судостроительные композиты армируются стекломатериалом. При относительно небольшой плотности — 2400—2600 кг/м3 — стеклянные волокна превосходят по прочности весь остальной армирующий текстиль; они не подвержены воздействию огня, микроорганизмов и большинства химикатов. Из них производится широкий ассортимент тканых и нетканых материалов, пригодных для использования в составе композитов на основе всех существующих смол. Форма сечения элементарных стекловолокон, как правило, сплошная круглая, но в продаже есть и материалы, выработанные из полого волокна, более легкого при той же прочности.
Основа обычного стекломатериала — бесщелочное алюмоборосиликатное стекло, так называемое Е-стекло. При достаточной прочности и химостойкости оно обладает хорошими электроизоляционными свойствами и максимально устойчиво к воздействию воды. Некоторое применение имеют материалы на основе магний-алюмосиликатного S-стекла, которое прочнее обычного на 40%, но уступает по стабильности свойств при увлажнении.
Как отмечалось, влага вообще отрицательно влияет на свойства стеклопластиков, поэтому конструкционные стекломатериалы всегда аппретируют — покрывают гидрофобным составом, отталкивающим влагу и способствующим лучшей адгезии полиэфирного связующего к поверхности стекла.
Часто в руки любителей попадают изоляционные стеклоткани, которые обработаны не гидрофобным конструкционным, а парафиновым или крахмально-масляным аппретом. Такая обработка, напротив, вредит прочности стеклопластика, поэтому изоляционные ткани пригодны для применения только после их предварительного отжига с помощью электронагревателя или над пламенем горелки. Так как отожженные волокна имеют пониженную адгезию к связующему и более склонны к осмосу, они должны применяться совместно с эпоксидной смолой.
Стекломатериалы поставляются в следующих видах:
- ровинг — это наиболее простая форма поставки; представляет собой непрерывный жгут из параллельных стекловолокон, смотанный в шпулю. Может иметь различную толщину, определяемую числом сложений (обычно от 3 до 150), что дает значение погонного веса 300—4800 текс (г/км);
- ткани; различаются по толщине нити и способу переплетения; их поверхностная плотность составляет от 200 до 1800 г/м2. Широко известна отечественная стеклоткань Т11 (или Т12) с аппретом ГВС-9. Она имеет сатиновое переплетение 8/3, легко принимает сложные формы и при правильной пропитке обеспечивает высокую прочность готового стеклопластика. Ткани более жесткого полотняного переплетения называются стеклосетками и стеклорогожами. Сетку с ее тонкой структурой используют для наружных слоев пластика. Рогожа изготавливается из ровинга, имеет высокую прочность и жесткость и обычно применяется для армирования сильнонагруженных участков корпуса судна не слишком сложной формы. Большинство тканей равнопрочны в обоих направлениях — и по основе, и по утку, но встречаются и однонаправленные жгутовые ткани, подходящие для элементов судового набора;
- маты (холсты) образованы ненаправленным переплетением коротких отрезков стеклонитей. Чтобы нити не рассыпались, их склеивают аппретирующей эмульсией, которая растворяется в процессе пропитки стеклома-та связующим. Кроме эмульсионной существует "порошковая" связка нитей, заключающаяся в том, что связывающий аппрет концентрируется только в точках пересечения нитей между собой. Стекломат выпускается с различной поверхностной плотностью — от 225 до 900 г/м2. Армированный матом стеклопластик получается существенно менее жестким и прочным по сравнению с армированным тканью вследствие хаотичного расположения волокон и худшего соотношения стекло/связующее, и все же он наиболее популярен в конструкциях малых судов благодаря своей технологичности: мат легко пропитывается смолой, может принимать сложные формы и позволяет быстро набрать толщину изделия;
- прочие разновидности стекломатериалов. Для конкретных технологических условий выпускаются другие формы материалов: лента (тесьма), а также комбинированные маты, образованные проклеенными либо прошитыми слоями простых тканей и матов. Комбинированные материалы позволяют сэкономить время на раскрое; при этом слои заранее могут быть ориентированы оптимальным для прочности образом.
Стоимость стекломатериалов зависит от предприятия-изготовителя и составляет 3—4 долл./кг.
Углеволокно. При всех своих достоинствах стеклопластик в составе корпуса судна проигрывает металлам по жесткости. В случаях, когда соотношение жесткость/масса является определяющим параметром, могут быть использованы углеродные волокна. Их модуль упругости в три раза выше, чем у стекловолокна. Применение углеволокна относится к сфере высоких технологий, требует особой тщательности в подборе типа и количества связующего; кроме того, угольное волокно на порядок дороже стеклянного, поэтому применение углепластиков в судостроении до сих пор ограничивалось экспериментальными и спортивными образцами.
Арамиды. Несколько менее дорогостоящую альтернативу углеволокну в случаях, когда вес конструкции является критическим параметром, составляют арамидные волокна и ткани, более известные под названием "Кевлар" или СВМ. Армированный кевларом композит на треть легче стеклопластика, прочнее его при растяжении и изгибе, но проигрывает при сжимающих нагрузках. В качестве связующего для арамидов лучше использовать эпоксивинилэфирные смолы. Высокомодульные волокна могут быть также скомбинированы с обычными стеклотканями, что улучшает механические свойства последних.
Заполнители. Трехслойные конструкции заняли в малом судостроении достойное место благодаря присущей им высокой жесткости, хорошим тепло- и звукоизолирующим свойствам, возможности повышения запаса аварийной плавучести. По существу, комбинация двух слоев прочного материала, между которыми помещен легкий малонагруженный заполнитель, представляет собой отдельный тип композита, к совместимости компонентов которого должны быть предъявлены особо жесткие требования. Фирмы-поставщики предлагают разнообразные виды трехслойных заполнителей, надежность работы которых в составе полиэфирного ламината подтверждена опытом успешной эксплуатации изготовленных с их применением конструкций.
Заполнители можно условно разделить на две технологически различные группы: готовые пластины (плиты) фиксированной толщины и полуфабрикаты, образующие средний слой непосредственно в процессе формования изделия.
К первой группе относятся следующие материалы:
- листы поливинилхлоридного или полиуретанового пенопласта, имеющие толщину от 5 до 80 мм и плотность 40—200 кг/м3. Для выкладки сферических поверхностей применяются плиты, прорезанные в перпендикулярных направлениях и наклеенные для прочности на неплотную ткань. Существуют огнестойкие модификации;
- бальзовые пластины, нарезанные поперек волокон. Этот заполнитель успешно используется на протяжении многих лет (несмотря на конкуренцию со стороны более долговечных и дешевых пенопластов) прежде всего благодаря своим прекрасным механическим свойствам при более чем умеренной плотности 95—250 кг/м3. Разумеется, чаще его используют в тех странах, где бальза не считается экзотической древесиной.
Качество трехслойного пластика, изготовленного с применением жесткого заполнителя, зависит прежде всего от качества склейки пары заполнитель — ламинат, поэтому здесь необходимо применение специальных клеев и приложение давления на время отверждения клея. Кроме того, подкрепляемая поверхность должна быть по возможности ровной, без сломов и зигов, иначе придется заниматься трудоемким раскроем, подгонкой и разделкой кромок пластин заполнителя.
Эти трудности значительно легче преодолевают материалы второй группы. Из них применяются:
- пасты, приготовленные на основе полиэфирного либо другого связующего с хорошей адгезией к ламинату; в них подмешивают снижающие плотность добавки — полые стеклянные микросферы, бальзовую крошку;
- специальный синтетический мат, известный у нас под торговым названием "Поликор". Разработан в Японии группой U-Pica. В его структуру, образованную полиэфирными нитями, включены стеклянные микросферы, но в отличие от пасты он пропитывается тем же связующим, что и несущие крайние слои. После пропитки плотность заполнителя составляет 600—800 кг/м3. Сухой мат имеет заданную толщину 1—5 мм, остающуюся неизменной после пропитки, и фактически объединяет некоторые особенности пенопластов и паст. Прочность слоев, образованных поликорматом, относительно невелика, поэтому при больших толщинах конструкций они должны перекрываться промежуточными слоями стекломата.
Клеящие пасты. Как правило, конструкция пластикового судна включает две секции или более, соединенные по линии борта, на стрингерах, переборках и т.д. От качества склейки секций зависит прочность и долговечность судна в целом. Здесь особенно важен системный подход к подбору материалов корпуса и клея, потому что один и тот же клеящий компаунд будет вести себя по-разному на ламинатах с разными связующими основами. Принципиальная разница такова: эпоксидные смолы в присутствии кислорода воздуха полимеризуются активнее, тогда как полиэфирные, напротив, замедляют отверждение на воздухе. Открытая поверхность эпоксидного пластика полностью полимеризуется и покрывается слоем аминов, препятствующим качественной приклейке к ней элементов набора, поэтому место склейки должно быть зачищено механическим путем; эпоксидный же клей реагирует с ним так же, как с любой другой инертной поверхностью. Открытая поверхность обычного полиэфирного ламината сохраняет "незакрытые" свободные радикалы полимерных цепочек в течение приблизительно двух суток, поэтому однородные приформовки и клеевые составы способны с ними взаимодействовать на химическом уровне, образуя монолитные соединения.
Компании-поставщики предлагают клеящие пасты (филеры) под разными торговыми марками, но сохраняется общее деление их на составы для склеивания готового ламината и составы для приклейки к ламинату деревянных/пенопластовых деталей конструкции.
Декоративы. Декоративные составы (гелькоуты или, проще, гели), которыми покрывают внутренние и внешние поверхности пластиковых изделий, выполняют несколько важных функций. Во-первых, в декоративный состав вводится краситель, возможно, и другой улучшающий внешний вид компонент, такой, как алюминиевая пудра или маленькие цветные блестки. Во-вторых, гель содержит различные дорогостоящие добавки, увеличивающие стойкость и долговечность нижерасположенных слоев полиэфира под влиянием окружающей среды с ее ультрафиолетовым излучением, влагой, кислотно-щелочным и абразивным воздействием. В-третьих, гель пресекает выход стирола из отвержденного пластика, улучшая его экологические показатели. Наконец, декоративное покрытие можно отполировать до зеркального блеска, что улучшает внешний вид судна и снижает его сопротивление движению. Полировка рабочей поверхности матриц существенно облегчает процесс съема с них готовых изделий и упрощает контроль их формы. Расход декоратива составляет 0.5—0.6 кг на 1 м2 площади матрицы.
Производимые декоративы обычно позиционируются следующим образом:
- гель обычного качества, удовлетворительно отвечающий всему комплексу перечисленных требований; его цена в зависимости от цвета — 5—6 долл./кг;
- гель повышенного качества, особо стойкий к внешним воздействиям, включая абразивный износ и открытое пламя; дороже обычного примерно на 10%;
- ремонтный гель, легче поддающийся ручному нанесению и механической обработке;
- матричный гель для покрытия рабочих поверхностей оснастки; отличается повышенной твердостью и имеет темный цвет, облегчающий обнаружение дефектов; он почти вдвое дороже обычного;
- гель для внутренних поверхностей изделий (топкоут); образует грязеводоотталкивающую пленку и эффективно препятствует выходу стирола из ламината. Его стоимость не превышает стоимости обычного геля.
Большинство гелей имеют модификации для ручного и машинного нанесения. Их цвета соответствуют международному стандарту RAL, насчитывающему сотни и тысячи оттенков, причем на химических заводах производят декоративы только основных цветов, а их оттенки получаются добавлением колеровочных паст по задаваемой компьютером рецептуре непосредственно у авторизованного продавца.
Вспомогательные материалы и оборудование. У комплексного поставщика можно приобрести множество необходимых и просто полезных в производстве продуктов и расходных инструментов, таких, как:
- катализаторы (отвердители). Для эпоксидных смол это обычно полиэтиленполиамин (ПЭПА), для полиэфирных и эпоксивинилэфирных — перекись метилэтилкетона (ПМЭК). Для работы с различными полиэфирами и по разным технологиям обычно предлагается гамма катализаторов, отличающихся степенью активности и агрегатным состоянием;
- вещества, модифицирующие свойства смол. Это разбавители — стирол, ацетон; пластификаторы; ускорители и замедлители процесса отверждения; тиксотропные добавки — аэросил, микросферы и т.п. Использовать катализаторы и модификаторы необходимо строго по инструкциям поставщика, иначе качество связующего может стать непредсказуемым;
- материалы для обслуживания технологической оснастки — разделительный воск для рабочих матриц (обычный либо высокотемпературный); разделители для новой оснастки; полировочные пасты и полировочные круги;
- быстроизнашивающиеся инструменты, используемые при ручной формовке для пропитки и прикатки армирующего волокна — кисти, пропиточные и прикаточные валики различных размеров и формы, а также толщиномерные калибры для гелевых пленок;
- специализированные средства индивидуальной защиты — комбинезоны, респираторы, сапоги и перчатки.
Зачастую поставщики материалов предлагают и более дорогое оборудование для реализации наиболее высокопроизводительных процессов. Опыт показывает, что современное налаженное стеклопластиковое производство уже не может обойтись без использования некоторых машин, еще недавно казавшихся атрибутами "хай-тека", таких, как аппликаторы или дозаторы пенополуретана.
Технологии
За полвека развития композитных пластиков сделан огромный шаг в направлении снижения себестоимости, улучшения потребительских свойств и экологической чистоты готовой продукции. Тем не менее все основные технологии, используемые в производстве армированных пластиков для судостроения, сложились еще в 40—60-х гг.
Контактное формование. Многие массово выпускаемые изделия, такие, как удилища, лыжные палки, цилиндрические резервуары, производят на полностью или частично автоматизированных линиях. Пластиковое судостроение остается одной из немногих отраслей, где большие объемы продукции производят самым простым, давно отработанным и требующим наименьших капиталовложений методом — прямым контактным формованием в открытых матрицах.
Вкратце суть процесса такова. Подлежащее тиражированию изделие выполняется из легкообрабатываемого материала — дерева, пенопласта, модельной пасты, затем с него делают первый и обычно единственный съем негативной черновой матрицы. Поверхность матрицы доводится до приемлемого для пересъема качества, и далее по ней формуется мастер-модель (она же — фальшизделие). Масса фальшизделия, так же как и масса матриц, в два-три раза больше массы окончательного изделия; для изготовления фальшизделия применяют качественный материал, способный годами сохранять первоначальную форму и прочность. С этого образцового изделия снимаются рабочие матрицы (рис. 2), используемые непосредственно в технологическом процессе.
При изготовлении изделий на поверхность рабочих матриц последовательно наносятся разделительный слой, слой декоративного связующего (рис. 3) и далее — один за другим все слои ламината с ручной прикаткой предварительно раскроенных армирующих материалов (рис. 4 и 5). После полимеризации пластиковый "пирог" снимают (рис. 6) и отправляют на дальнейшую обработку, вплоть до сборки — соединения отдельных секций в готовый корпус судна (рис. 7). Время жизни рабочих матриц — от нескольких десятков до сотен съемов, в зависимости от культуры производства на конкретном предприятии. Очевидно, стоимость всего комплекта оснастки будет отнесена на себестоимость готовых изделий, поэтому их серийность должна быть достаточно высокой.
За счет чего улучшился процесс контактного формования за последнее десятилетие? Прежде всего, благодаря появлению систем материалов с новыми свойствами, облегчающими труд рабочих и повышающими качество пластика. Разработка связующих с малой эмиссией стирола (LSE) улучшила условия труда формовщиков, а также снизила требования к принудительной вентиляции рабочих мест. Новые системы отверждения позволили расширить границы температурного режима в цехе. Теперь перебои с теплоснабжением не скажутся на качестве стеклопластиковой продукции. Появление новых смол с пониженным выделением тепла при отверждении дало возможность формовать изделия толстыми слоями (более 10 мм) за короткое время. Близкий эффект дает применение поликорматов, эффективно поглощающих избыточное тепло и позволяющих быстрее набрать заданную толщину при экономии связующего. Доступность и простота оборудования безвоздушного напыления декоратива позволила увеличить долговечность стеклопластиков за счет снижения пористости поверхности. Вообще, понятие "гелькоут" появилось в нашем обиходе лишь в последние 10—12 лет; до того качество декоративных слоев было ниже всякой критики (этот факт, кстати, стал одной из прискорбных причин определенного недоверия советского судовладельца-любителя к стеклопластику как корпусному материалу).
Метод "внедряемой оснастки". Если пластиковая лодка строится в единичном экземпляре, как это обычно практикуется судострои-телями-любителями, радикально снизить стоимость постройки позволяет метод "внедряемой оснастки". В этом случае первичная модель, изготавливаемая из легкодоступных материалов, просто заформовывается с обеих сторон ламинатом необходимой толщины и восполняет роль трехслойного заполнителя в составе композита. Единственный недостаток этого метода — низкое качество наружной поверхности — компенсируется практическим отсутствием накладных расходов на изготовление и пересъем матриц. Способы постройки первичной модели могут варьироваться бесконечно, в зависимости от конструкции судна и возможностей приобретения материалов для нее. С опытом постройки любительских лодок на внедряемой оснастке знакомил журнал "КиЯ".
Вакуумирование. Значительно повышает качество изделий контактного формования применение известного метода "вакуумного мешка". Только что отформованную в матрице секцию помещают под гибкую газонепроницаемую мембрану, а затем воздух из-под мембраны откачивают вакуумным насосом. Атмосферное давление при этом равномерно прижимает ламинат к поверхности матрицы, что дает возможность не только повысить качество склейки слоев ламината с заполнителем (особенно — жестким), но и удалить пузырьки воздуха из связующего и отжать лишнее связующее в специально закладываемый под мембрану адсорбирующий материал. Несмотря на возможную при использовании этого метода экономию труда и времени на при-катку ламината, сама формовка существенно усложняется и требует от рабочего персонала определенного навыка, потому вакуумирование распространено лишь в единичном и малосерийном выпуске сравнительно небольших по размерам высококачественных изделий, таких, как парусные доски, детали рангоута гоночных яхт и т. п.
Метод напыления. Благодаря усилиям компаний, производящих соответствующее оборудование (например, "Aplikator" и "Glas-Craft"), метод напыления стал теперь доступен не только промышленным гигантам, но и небольшим мастерским. Его отличие в том, что стекломатериал не пропитывается вручную валиком внутри матрицы, а подается непосредственно в факел распыляемого связующего за головкой специального пистолета, причем смешивание смолы с катализатором происходит на пути от пистолета до оснастки. На головке установлен роликовый нож, нарезающий нить ровинга на отрезки в дюйм длиной. Таким образом наносится слой ламината толщиной до 10 мм, затем его прикатывают обычным образом (рис. 8). Налицо экономия труда на раскрое мата, приготовлении смол и пропитке. Установки для напыления компактны, мобильны, работают от магистрали сжатого воздуха и достаточно быстро себя окупают, тем более что нож с распылительной головки можно легко снять, превратив ее в инструмент для нанесения декоративных слоев. Наиболее совершенные установки не требуют промывки подающих магистралей перед сменой вида связующего—возможна переключаемая подача до десятка разных смол/гелей. Напыленный стеклопластик менее прочен и жесток даже по сравнению с пластиком, армированным стекломатом, поэтому в сильнонагруженных узлах напыление желательно комбинировать с обычным тканевым армированием.
Инжекционные методы. В случаях, когда снижение трудозатрат на формование может существенно повлиять на себестоимость изделий, идут на частичную автоматизацию технологических процессов, позволяющую исключить ручную пропитку и прикатку ламината. Существует целая гамма патентованных, отличающихся только в деталях методов, которые можно отнести к инжекционным — RTM, VARTM, RIRM, SCRIMP и пр. Их общий принцип таков: в матрицу, покрытую разделителем и гелевым слоем, вручную укладывается полный комплект сухой арматуры, включая трехслойные заполнители, и его накрывают жестким или гибким пуансоном, герметизируемым по периметру. Затем в "пироге" создается разрежение и приготовленное во внешнем резервуаре связующее под действием атмосферного давления (либо принудительным усилием насоса)устремляется в матрицу и пропитывает армирующие слои (рис. 9). Состав связующего подбирается таким образом, чтобы отверждение протекало в минимальные сроки, но без неблагоприятного саморазогрева, вызывающего дефекты и деформацию изделия. Основная сложность состоит в том, чтобы добиться правильного наполнения пространства формы связующим — избежать как непропитки, так и перенасыщения смолой отдельных участков изделия. На отработку результата могут уйти значительные силы и средства. Наградой будет высокая эффективность производства, сопоставимая с эффективностью литья или штамповки термопластов, но при значительно более высоких потребительских свойствах самого изделия, включая неограниченность размеров и свободу выбора цветофактурного решения поверхности. Но главной причиной, активизировавшей внедрение инжекци-онных технологий на Западе, стало ужесточение экологических требований к производству пластиков: закрытая оснастка практически исключает попадание стирола и других вредных веществ в атмосферу.
Другие технологии. В "большом" судостроении получили некоторое распространение и другие, еще более связанные с необходимостью применения специализированного оборудования методы. Так, для изготовления тел вращения используется метод намотки ровинга на пуансон, позволяющий добиться исключительно высоких механических свойств изделий. Этот метод применим главным образом для производства труб и цистерн, но есть данные об изготовлении намоткой таких объектов, как корпуса вагонов.
Другая известная технология — метод протяжки, или пултрузия. Установки, реализующие этот метод, отличаются минимальной зависимостью от участия оператора; так изготовляют высокопрочные стеклопластиковые балки разнообразного сечения. В малотоннажном судостроении метод находит лишь ограниченное применение.
Поставщики
Как уже отмечалось, обоснованный выбор поставщика систем материалов — залог качества конечного продукта. Хороший поставщик предоставит клиенту также необходимые консультации и инструкции, касающиеся всех моментов технологического процесса, от изготовления оснастки до предпродажной подготовки судна.
В советской централизованной экономике комплексные поставки не практиковались; судостроительные верфи работали под свою ответственность напрямую с химическими предприятиями. На Западе же укрепляли позиции такие известные торговые марки, как "Норпол/Йотун" ("Norpol/Jotun") в Скандинавии; "Гужон Бразерс" ("Gougeon Brothers") в США; "Скотт Бадер" ("Scott Bader") в Англии; "Бюфа" ("BUfa") в Германии и др. С перестройкой экономических отношений в России некоторые из них вышли и на наш рынок. На сегодня наиболее успешными по объему продаж оказались два бренда: "Норпол", переименованный не так давно в "Райхольд" (Reichhold), и финский "Несте" (Neste), представленные соответственно петербургскими дилерами "Альтаир/Руспол" и "Композит лтд". Обе эти компании предоставляют достаточно широкий ассортимент качественных материалов по близким расценкам. Со значительным отставанием идет "Гужон Бразерс" с патентованными эпоксидными продуктами и технологиями WEST SYSTEM. К чести наших химиков, отечественные эпоксидные смолы удержали позиции в конкурентной борьбе с привозными аналогами. Производство же пригодных для малого судостроения полиэфиров практически свернуто, поэтому предприниматель, желающий наладить серийный выпуск пластиковых лодок, вынужден использовать импорт. Страдает от высоких цен, как водится, потребитель. Сегодня малая стеклопластиковая верфь способна существовать и покрывать производственные затраты, продавая продукцию по 12—15 долл. за килограмм массы. Если бы отечественные химические заводы наладили выпуск собственных конкурентоспособных полиэфирных смол и стекломатериалов, эта цена могла бы стать на 20—25% ниже. Тогда и та же "Пелла" снова стала бы "народной" лодкой, как это было в 70-е годы.