Стеклопластик в нашем малом судостроении.


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 серийногомалотоннажного 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 50х.

 

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 гелевыепокрытия, клеи и трехслойные заполните ли, 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 кон такта 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 водопоглощению 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 химо — стойкость.

 

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 ЭД116 и ЭД20; 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 60х 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/м2 — 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.

 

Алексей Даняев.

 

Источник: «Катера и Яхты», №179.

 

Оставить комментарий

Комментарии: 0