Transcript pps

OPTIMIZACIJA NA PROCESOT
PULTRUZIJA
ZA PROIZVODSTVO NA
KOMPOZITNI PROFILI
Nositel na proektot: „Profilkomerc”
Aldanci
Proektot
realiziran so finansiska poddr{ka od
Ministerstvoto za obrazovanie i nauka na
Republika Makedonija
U~esnici:
- d-r V. Srebrenkoska, dipl.in`.tehn.
- Stru~en i pomo{en personal:
vrabotenite vo Profilkomerc
Glaven istra`uva~:
- d-r G. Bogoeva-Gaceva, red.prof.
UKIM-TMF, Skopje
PULTRUDIRANI PROFILI
primena
Grade`n{tvo i konstrukcii
Koroziono otporni materijali
Elektroindustrija
Industrija za transport...
?
Pultrudat:
50% vol (70% mas.) zajaknuva~ !!!
Vrska svojstva/karakteristiki i konkretni prednosti koi se postignuvaat so
upotreba na pultrudirani profili
Svojstva
Opis
Ja~ina
Relativnata ja~ina na istegnuvawe,
svitkuvawe i pritisok e 20 pati
pogolema vo sporedba so
~elikot
Niska gustina
Gustinata na profilite e 80% poniska
od ~eli~nite profili i okolu 40%
poniska od aluminiumskite
Otpornost na korozija
Elektro-izolacioni svojstva
Prednosti
-
Postojanost vo {irok opseg na
korozivni mediumi
-
Ja~ina i krutost mo`e da se postigne
so upotreba na
elektroizolacionen materijal
Ednostavna monta`a
Mnogu poedine~ni komponenti mo`e
da se sostavat vo edinstven
profil
Dimenzionalna stabilnost
Dimenzionalna stabilnost vo {irok
opseg na temperaturi
Toplotna provodlivost
Vrednosta za toplotnata provodlivost
e okolu 60 pati poniska od onaa
kaj ~elikot i okolu 250 pati
poniska od onaa kaj
aluminiumot
Golema sloboda pri konstruiraweto
Optimalna ja~ina vo baranite uslovi
Visoka `ilavost
-
-
Podobri svojstva pri mala masa
Pomali tro{oci za transport
Ednostavno rakuvawe
Minimalni tro{oci za odr`uvawe
Mo`nost za skladirawe na otvoreno
Prodol`en vek na traewe
Dodatna sigurnost
Predvidliv faktor na dielektri~ni zagubi
-
Mali tro{oci za monta`a
Mo`nost za upotreba i na povi{eni temperaturi
-
-
Pomala debelina na izolacionite komponenti
Nema problem so kondenzacijata na vlaga
TEHNOLO[KI PROCES
The pultrusion process invented by W. Brandt Goldsworthy in the
1950s ...
is an efficient means of pulling fiber reinforcements through a bath of
polyester resin to create lineals, in this case housing panels
"He's just smarter than the rest of us.
And he's done an enormous amount of
creative, productive work — certainly,
he's my inspiration." (Burt Rutan,
dizajner na avioni)
PROBLEMI
Naj~esti vo industriskata praksa:
- nedovolno natopuvawe na zajaknuva~ot so smolata
- nedovmre`uvawe na smolata vo vnatre{nosta na
profilot... Reperkusii koi od toa proizleguvaat
FAKTORI
 sostav na smolata i dodatocite;
 tip, udel i raspored na zajaknuva~ vo profilot i
 optimizacija na temperaturniot re`im.
[EMA NA TEHNOLO[KIOT PROCES PULTRUZIJA VO PROFILKOMERC
CEL NA PROEKTOT
Optimizacija na tehnolo{kiot proces i podobruvawe na
kvalitetot na proizvedenite pultrudirani profili so razli~na
konfiguracija i razli~ni pojdovni sistemi smola/zajaknuva~.
NASOKI NA OPTIMIZACIJATA
 postignuvawe povisok kvalitet na pultrudiranite profili;
 dostignuvawe optimalen stepen na vmre`uvawe na smolata
vo kompozitot;
 ekolo{ki aspekti: maksimalno vozmo`no iskoristuvawe na
vleznite surovini so obezbeduvawe na povraten tok na
neiskoristenata smola;
 minimizirawe na nepo`elnoto pojavuvawe na pori vo profilot i
raslojuvawe;
 optimizirawe na brzinata na izvlekuvawe pri procesot spored
realnite parametri na postoe~kata tehnolo{ka linija.
METODOLOGIJA
1. Identifikacija na klu~ni problemi
2.
Intervencija vo:
-
Sostav na smolen sistem i karakteristiki - viskozitet,
temperaturen re`im na vmre`uvawe...
Uslovi na tehnolo{ki proces - temperatura, brzina na
izvlekuvawe...
PROBLEMI - INTERVENCIJA
1- Zajaknuva~: vlakna,mat
2 - Zategnuvawe
3 - Smola
4 - Zajaknuva~ natopen so smola
5 - Kanal/alat za zagrevawe
6 - Mehanizam za vle~ewe
7 - Profil (gotov)
PRIMENETI METODI
 DSC metodata - verificirana kako ASTM metoda za kvalitet
 FTIR - spektroskopija
 Metodi za opredeluvawe na vreme na `elirawe (V) i viskozitet na
smolni sistemi
 Metodi za opredeluvawe na fizi~ki svojstva: apsorpcija na voda,
specifi~na te`ina na materijalot, sodr`ina na staklo, samogasivost
 Metodi za opredeluvawe na termi~ki karakteristiki: Martens
 Metodi za opredeluvawe na mehani~kite svojstva: ja~ina na
svitkuvawe i modul na elasti~nost pri svitkuvawe, ja~ina na pritisok,
ja~ina na udar i ja~ina na istegnuvawe.
FTIR spektri na epoksidna smola
vo tek na vmre`uvawe
Dekonvolucija na karakteristi~nata epoksidna lenta
od FTIR-spektarot: opredeluvawe na stepenot na
vmre`enost na smolata
Vremenska zavisnost
Razlo`uvawe na epoksidnata lenta
Epoksidni smoli - DSC
i metodologija na opredeluvawe
Tg i H na reakcijata na vmre`uvawe
DSC ciklus: zagrevawe-ladewe-zagrevawe
Epoksidni smoli - DSC analiza
Vreme na `elirawe na smolnite sistemi
полиестерски смолен систем
винл-естерски смолен систем
епоксиден смолен систем
600
Време, s
500
400
300
200
100
0
80
120
140
150
160
170
180
О
Температура, С
T,
OS
80
120
140
150
160
170
180
poliesterski
486
428
293
184
128
87
64
V - vreme, s
smolen sistem
vinil-esterski
424
386
245
184
128
93
56
epoksiden
360
230
120
97
84
60
40
Viskozitet na smolnite sistemi
Viskozitet, s
smolen sistem
poliesterski
vinil-esterski
epoksiden
340
280
80
Defininiran:
optimalniot temperaturen re`im na procesot
na pultruzija:
- sistem so epoksidna smola
- sistem so poliesterska smola
Svojstva na proizvedenite pultrudirani profili:
komparativna analiza
1. Fizi~ki svojstva
Pultrudirani profili so epoksidna smola i stakleni
vlakna
KARAKTERISTIKI
profil: (20h4) mm
profil: f = 10 mm
Specifi~na te`ina, g/cm3
1,735
1,68
Sodr`ina na smola, 2h na 600OC
19,0
18,6
14,9 (0,1)
46,1 (0,3)
Apsorpcija na voda, mg (%)
Pultrudirani profili so poliesterska smola
i stakleni vlakna
KARAKTERISTIKI
profil: (20h10) profil:
mm
f = 6 mm
profil:
f = 10 mm
profil:
f = 16 mm
profil:
f = 24 mm
Specifi~na te`ina, g/cm3
1,62
1,57
1,58
1,61
1,61
Sodr`ina na smola,
2h na 600OC
23,44
22,28
22,38
22,47
23,23
767 (5,12)
87 (0,6)
113 (0,75)
104 (0,7)
124 (0,83)
Apsorpcija na voda, mg (%)
KARAKTERISTIKI
Pultrudirani profili so vinil esterska smola i stakleni
vlakna
profil: (20h10) mm
Specifi~na te`ina, g/cm3
1,57
Sodr`ina na smola, 2h na 600OC
16,8
Apsorpcija na voda, mg (%)
200 (1,39)
2. Mehani~ki svojstva
a) v (na izvlekuvawe) = 16 cm/min; R = 1,5 bar; T (na alatot) = 165 OC;
KARAKTERISTIKI
Pultrudirani profili so epoksidna smola i stakleni vlakna
profil: (20h4) mm
profil: f = 10 mm
Ja~ina na udar, kJ/m2
650,0
480,0
Ja~ina na pritisok, MPa
384,4
378,5
Ja~ina na istegnuvawe, MPa
558,4
421,4
Ja~ina na svitkuvawe, MPa
667,3
604,6
Modul pri svitkuvawe, GPa
42,5
32,1
b) v (na izvlekuvawe) = 12 cm/min; R = 1,5 bar; T (na alatot) = 150 OC;
KARAKTERISTIKI
Pultrudirani profili so epoksidna smola i stakleni vlakna
profil: (20h4) mm
profil: f = 10 mm
Ja~ina na udar, kJ/m2
435,4
284,2
Ja~ina na pritisok, MPa
182,5
176,4
Ja~ina na istegnuvawe, MPa
256,8
212,4
Ja~ina na svitkuvawe, MPa
442,7
387,5
Modul pri svitkuvawe, GPa
34,6
28,9
v) v(na izvlekuvawe) = 20 cm/min, R = 1,5 bar, T (na alatot) = 180 OC
KARAKTERISTIKI
Pultrudirani profili so epoksidna smola i
stakleni vlakna
profil: (20h4) mm
profil: f = 10 mm
Ja~ina na udar, kJ/m2
393,6
257,8
Ja~ina na pritisok, MPa
164,2
158,6
Ja~ina na istegnuvawe, MPa
243,3
221,4
Ja~ina na svitkuvawe, MPa
452,5
401,4
Modul pri svitkuvawe, GPa
28,1
25,6
a) v (na izvlekuvawe) = 30 cm/min, R = 1,5 bar, T (na alatot) = 135 OC
Pultrudirani profili so poliesterska smola
i stakleni vlakna
KARAKTERISTIKI
profil: (20h10)
mm
profil:
f = 6 mm
profil:
f = 10 mm
profil:
f = 16 mm
profil:
f = 24 mm
Ja~ina na udar, kJ/m2
445,0
193,5
244,3
320,5
426,0
Ja~ina na pritisok, MPa
409,3
462,3
456,3
489,7
513,6
Ja~ina na istegnuvawe,
MPa
453,4
573,9
466,2
493,5
530,2
Ja~ina na svitkuvawe,
MPa
563,5
450,4
467,3
562,7
529,4
Modul pri svitkuvawe,
GPa
24,8
23,2
22,7
23,0
23,3
b) v (na izvlekuvawe) = 20 cm/min, R = 1,5 bar, T (na alatot) = 120 OC
Pultrudirani profili so poliesterska smola
i stakleni vlakna
KARAKTERISTIKI
profil: (20h10)
mm
profil:
f = 6 mm
profil:
f = 10 mm
profil:
f = 16 mm
profil:
f = 24 mm
Ja~ina na udar, kJ/m2
378,2
165,5
204,2
283,4
341,4
Ja~ina na pritisok, MPa
339,4
342,2
371,7
403,5
423,1
Ja~ina na istegnuvawe,
MPa
393,2
487,6
401,2
412,5
454,3
Ja~ina na svitkuvawe,
MPa
495,6
387,5
399,4
478,4
449,3
Modul pri svitkuvawe,
GPa
22,3
21,1
20,8
22,4
21,8
v) v (na izvlekuvawe) = 40 cm/min, R = 1,5 bar, T (na alatot) = 150 OC
Pultrudirani profili so poliesterska smola
i stakleni vlakna
KARAKTERISTIKI
profil:
(20h10) mm
profil:
f = 6 mm
profil:
f = 10 mm
profil:
f = 16 mm
profil:
f = 24 mm
Ja~ina na udar, kJ/m2
342,6
152,8
190,5
246,8
349,5
Ja~ina na pritisok, MPa
324,5
369,8
351,3
367,3
390,4
Ja~ina na istegnuvawe,
MPa
349,2
424,7
349,6
344,6
408,1
Ja~ina na svitkuvawe,
MPa
416,7
338,2
355,4
405,1
397,1
Modul pri svitkuvawe,
GPa
21,4
19,8
20,3
21,2
22,3
a) v (na izvlekuvawe) = 30 cm/min; R = 1,5 bar; T (na alatot) = 135 OC;
KARAKTERISTIKI
Pultrudirani profili so vinil esterska smola i
stakleni vlakna
profil: (20h10) mm
Ja~ina na udar, kJ/m2
512,4
Ja~ina na pritisok, MPa
351,0
Ja~ina na istegnuvawe, MPa
453,3
Ja~ina na svitkuvawe, MPa
542,9
Modul pri svitkuvawe, GPa
26,6
b) v (na izvlekuvawe) = 20 cm/min; R = 1,5 bar; T (na alatot) = 120 OC;
KARAKTERISTIKI
Pultrudirani profili so vinil esterska smola i stakleni
vlakna
profil: (20h10) mm
Ja~ina na udar, kJ/m2
420,6
Ja~ina na pritisok, MPa
284,3
Ja~ina na istegnuvawe, MPa
367,2
Ja~ina na svitkuvawe, MPa
428,9
Modul pri svitkuvawe, GPa
22,4
v) v (na izvlekuvawe) = 40 cm/min; R = 1,5 bar; T (na alatot) = 150 OC;
KARAKTERISTIKI
Pultrudirani profili so vinil esterska smola i
stakleni vlakna
profil: (20h10) mm
Ja~ina na udar, kJ/m2
384,4
Ja~ina na pritisok, MPa
270,3
Ja~ina na istegnuvawe, MPa
342,5
Ja~ina na svitkuvawe, MPa
390,9
Modul pri svitkuvawe, GPa
21,6
Sporedba na teoretski predvidenite
i eksperimentalno opredelenite svojstva
Pravilo na sme{a - aditivnost
Xc = VrXr + VfXf
(1)
1/Xc = (Vr/Xr) + (Vf/Xf) (2)
Xc = T1X1 + TmXm
vo nadol`na nasoka
vo napre~na na nsoka
(3)
Faktor na efikasnost na vlaknata - zajaknuva~i ()
Tip na zajaknuva~
Ednonaso~en (UD)
Dvonaso~en (tkaen roving)
Seckan mat

1.0
5
0.375
Teoretski - poniski od realnite?
ja~ini na istegnuvawe i svitkuvawe
za
pultrudiran kompozit:
585 MRa i 724 MRa, soodvetno
~ 75% od eksperimentalno
dobienite vrednosti
zna~ewe na interfejsot polimer/vlakno
Kaj dobro dizajniranite kompozitni materijali - ogromno
zna~ewe za prenosot na napregawata i za sevkupnite
mehani~ki svojstva i se tretira kako treta faza vo kompozitite.
Optimizacijata na parametrite na procesot na pultruzija, pokraj izborot na sostavot
na sistemite smola/katalizator/vlako, e uspe{no izvr{ena.
Optimalni uslovi za procesirawe na pultrudiranite kompoziti:
1. epoksidna smola:
v (na izvlekuvawe) = 16 cm/min
R = 1,5 bar
T (na alatot) = 165 OC
2. poliesterska i vinil-esterska smola:
v (na izvlekuvawe) = 30 cm/min
R = 1,5 bar
T (na alatot) = 135 OS
Kompozitnite profili, proizvedeni pod optimiziranite procesni uslovi - visoki
vrednosti za ja~inata na pritisok:
- matricite uspe{no go prenesuvaat napregaweto i kompozitite izdr`uvaat golem
pritisok,
- dobra atheziona ja~ina na granicata na fazite polimer/vlakno, postignata pri
dadenite uslovi na pultruzioniot proces.
Najgolemi ja~ina na udar, istegnuvawe, svitkuvawe i modul na
elasti~nost pri svitkuvawe - pultrudiranite kompoziti so epoksidna
matrica.
Pultrudiranite kompoziti so poliesterska i vinilesterska matrica imaat
pribli`no ednakva vrednost za ja~inite i modulot.
3. Temperaturna izdr`livost po Martens
 Kompozitite so poliesterska polimerna matrica ja zadr`aa formata do
150 OS.
 Kompozitite so vinil-esterska polimerna matrica ja zadr`aa
postojanosta na formata do pribli`no 180OS.
 Toplotnata postojanost na kompozitite so epoksidna matrica e nad 200
OS.
ZAKLU^OCI
1.
Ispitani se smolnite sistemi i oddelno, staklenite vlakna (povr{inskiot premaz), koi se
primenuvaat vo procesot pultruzija.
2. Vo laboratoriski uslovi, so razli~ni tehniki, prvo se ispitani uslovite na vmre`uvawe na
smolite (temperatura, vreme, katalizator), so cel da se testiraat nedostatocite od
nedovmre`uvaweto na smolite, koi se javuvaa kaj kompozitnite profili proizvedeni vo uslovi pred
izvr{enata optimizacija na procesot.
3. Opredeleni se optimalnite soodnosi smola/vmre`uva~/vlakno, adaptirani na mo`nostite
na realniot postoe~ki tehnolo{ki proces vo pogonot za pultruzija na Profilkomerc.
4. Vo realnite tehnolo{ki uslovi, izvr{ena e optimizacija na procesot pultruzija preku
opredeluvawe na optimalnite procesni parametri, koi rezultiraat vo dobivawe kompozitni profili
so soodvetni mehani~ki i drugi karakteristiki, spored barawata na kupuva~ot.
5. Optimizacijata e napravena za trite aktuelni sistemi vo procesot na Profilkomerc i toa:
epoksidna smola/stakleni vlakna, poliesterska smola/stakleni vlakna i vinilesterska
smola/stakleni vlakna.
6. Postignato e zna~itelno podobruvawe na mehani~kite svojstva na pultrudiranite profili,
prosledeno so namaluvawe na {kartot, odnosno zagubite vo tehnolo{kiot proces i toa za 10%.
So toa iskoristuvaweto na materijalite vo procesot dostigna 97-98%.