Технологическая линия для производства стеклопластиковой арматуры

Использовав опыт выработки арматуры на опытной одноканальной технологической линии ТЛ-СПА-2, в ИСиА Госстроя
БССР запроектировали и в 1972 г. построили первую полупромышленную многоканальную технологическую линию ТЛ-СПА-3.
На этой линии вырабатывается арматура диаметром
3 . . . 1 2 мм. Линия построена в четырехканальном варианте.
Расстояние между осями каналов принято равным 100 мм. Многоканальность линии позволяет сократить расход электрической
энергии, требуемой для выработки арматуры, увеличить производительность, уменьшить производственную площадь.
Общая длина технологической линии (без магазина и тянущего
устройства) 25 м. Узлы пропитки и подсушки сырой ленты,
фильерный узел, обмотчики и электрические печи зоны полимеризации для удобства обслуживания смонтированы на станине

из стального уголкового профиля. Управление технологическим
оборудованием линии осуществляется с центрального автоматизированного пульта.
Арматура вырабатывается из жгута и эпоксифенольного связующего. Обычно используется алюмоборосиликатное волокно
диаметром 9 ... 11 мкм. По специальным заказам изготовляются
опытные партии арматуры из других видов волокон и связующих,
для чего на линии могут устанавливаться различные скорости протяжки и температурные режимы. Скорость протяжки на ТЛ-СПА-З
может изменяться от 2 до 100 м/ч, температура во всех узлах
линии изменяется автономно в диапазоне 30 . .. 200°С с точностью регулирования ±3°С.
В качестве электрических нагревателей в узлах и печах технологической линии использована лента, сотканная из стеклянного волокна с константановой проволокой. Обогревательная лента
монтируется на съемных или выдвижных каркасах, что облегчает
их осмотр и ремонт.
Арматура на четырехканальной линии протягивается двумя
сматывающими тянущими механизмами или траковым механизмом. Тянущее устройство состоит из двух барабанов диаметром 1200 мм, на которые сматывается арматура одного диаметра из двух каналов (рис. 8). Скорость вращения обоих барабанов одинакова. Траковое устройство протягивает стержневую арматуру диаметром более 8 мм. Одновременно на техно­
логической линии ТЛ-СПА-3 в четырех каналах может вырабатываться арматура одного либо двух разных диаметров. При протяжке арматуры двух диаметров скорости вращения тянущих
устройств будут разные.
Арматура диаметром до 8 мм сматывается в мотки. Длина арматуры в мотке до 200 м (рис. 9). По специальному заказу
в моток можно сматывать 3000 м и более. Арматура диаметром
более 8 мм (рис. 10) разрезается на отдельные стержни длиной
до 24 м.
В узле обмотчиков в каждом канале устанавливается обмотчик с автономным электродвигателем, который располагается
вертикально. На оси электродвигателя имеется коническая шестерня, она вращает в разные стороны два диска, стоящие параллельно. В центре дисков через отверстие протягивается арматурный стержень. На окружности каждого диска диаметрально расположены две сменные катушки с намотанной и пропитанной связующим крученой стеклонитью. Катушки вращаются на осях и
притормаживаются прижатием пружины к диску. При вращении
дисков арматурный стержень обматывается нитями с определенной степенью натяжения, при этом получают двойную перекрестную спиральную обмотку. Такая обмотка рекомендуется для арматуры больших диаметров. Если на диске установить одну катушку, то арматурный стержень будет обмотан одиночной винтовой спиралью. Изменяя скорость вращения дисков, можно установить требуемый шаг обмотки, т.е. шаг периодического профиля
арматуры.
В узле пропитки волокна по оси каждого канала располагаются четыре ванны со связующим. Ширина ванн 90, длина 700 мм.
Днища и стенки ванн двойные, заполненные маслом. Ванны
устанавливаются на нагреватель. Содержание связующего в стеклопластиковой арматуре на технологической линии ТЛ-СПА-3
регулируется плоской отжимной фильерой, которая установлена
при выходе ленты из ванны со связующим. От количества связующего в значительной степени зависят прочностные характеристики
арматуры и ее водопоглощение. Из табл. 1 видно, что при содержании связующего 19—20% стеклопластиковая арматура обладает
наиболее высокой прочностью и низким водопоглощением.
Исследованиями установлено*, что при температуре ниже 25°С
пропитывающее свойство связующего в связи с повышением его
вязкости резко ухудшается. В этом случае из-за малой подвижности связующего происходит лишь частичное заполнение промежутков между волокнами. Микроскопические исследования поперечных срезов таких образцов свидетельствовали о том, что в них
есть полости между стеклонитями, в которых отсутствует связующее. Микроскопическая картина образцов арматуры, пропитанных связующим при 30°С, подтверждает равномерное распределение полимера по всему сечению стеклопластика. Этими же исследованиями доказано, что при температуре 30°С старение связующего протекает так же, как и при 20°С, а при температуре 40°С
жизнеспособность его существенно сокращается и оно становится
непригодным для изготовления арматуры. В связи с изложенным
температура связующего в ванне на ТЛ-СПА-З принята равной
30°С.
В состав эпоксифенольного связующего для снижения его
вязкости и, как следствие, улучшения пропиточных свойств
вводится в качестве растворителя спиртацетоновая смесь. Как
указывалось раньше, для обеспечения хорошей структуры стеклопластика до начала полимеризации связующего в арматурном
стержне растворитель должен быть удален. В этой связи на участке подсушки ’’сырой” ленты (см. рис. 5, зона удаления летучих) в зависимости от скорости протяжки должен быть обеспечен требуемый температурный режим, который на ТЛ-СПА-З
был определен на основании кривых (рис. 31) и данных по кинетике отверждения связующего Л
Из рис. 11 видно, что скорость удаления растворителей из
связующего, их остаточное содержание в стеклопластиковой
арматуре зависят от температуры подсушки ”сырой” стеклопластиковой ленты. Так, в ленте, высушенной при температурах
80 и 90°С, остается до 4% растворителя, а при 70°С — до 7%.
Кинетические исследования показали, что после подсушки связующего при температуре 70 и
80°С его гель-фракция (отвержденная, заполимеризованная часть) полностью отсутствует,
а при термообработке ленты
при 90°С обнаруживается до
3% нерастворимой фракции.

Поэтому температура в зоне
подсушки была установлена 80 . . .90°С.
В формовочном многофильерном узле с автономным обогревом конических фильер происходят следующие процессы: формуется профиль поперечного сечения арматуры, при этом обеспечивается максимальное уплотнение системы ’’волокно-полимер", заканчивается равномерное распределение связующего в
поперечном сечении арматурного стержня, происходит дальнейшее удаление летучих веществ. Поэтому в фильерном узле связующее должно обладать достаточной подвижностью, которая
достигается, во-первых, наличием остаточного количества растворителя, выполняющего роль пластификатора, и, во-вторых,
почти полным отсутствием гель-фракции.
Анализируя данные, полученные при изучении кинетики отверждения связующего, и учитывая особенности формования
профиля поперечного сечения арматуры с различным содержанием остаточного растворителя, установили, что температура фор­
мования стержня при низких скоростях протяжки не должна превышать 90°С. В противном случае в фильерном узле гелеобразование приводит к тому, что система полимера в целом становится более жесткой и связующе? прилипает к стенкам фильер.
Температурный режим в зоне полимеризации на ТЛ-СПА-3
подбирался для получения наиболее плотной трехмерной структуры связующего. Известно, что в создании окончательной структуры полимера важную роль играет структура, образующаяся
на первых стадиях ее формирования. Вместе с тем, непременным
условием для получения материала с высокими физико-химическими и физико-механическими показателями является протекание процесса отверждения со скоростью, максимально приближающейся к скорости установления структурного равновесия.
В связи с изложенным выше был разработан плавный режим
повышения температуры в печах зоны полимеризации технологической линии, обеспечивающий на всех этапах необходимые
условия для протекания релаксационных процессов перегруппировки молекул в целях наиболее благоприятного процесса структурообразования полимера. Температурные параметры разработанного режима полимеризации 90, 100, 110, 120, 135, 150,180°С,
затем плавное охлаждение. Кинетика формирования структуры
стеклопластиковой арматуры диаметром 6 мм на технологической линии ТЛ-СПА-3 представлена на рис. 12.
Одним из условий получения стеклопластиковой арматуры является непрерывность процесса, при котором должны быть обеспечены необходимые условия формирования структуры полимера с момента пропитки волокна связующим до завершения процесса полимеризации. В связи с этим длина отдельных
узлов технологической линии для выработки арматуры должна
обеспечивать завершенность процессов на каждом участке этой
линии. Это обстоятельство потребовало изучения влияния скоро­
сти протяжки арматуры при разработанном оптимальном температурном режиме на физико-механические характеристики и
химические свойства арматуры.
При изменении диаметров арматуры должны устанавливаться
скорости протяжки, обеспечивающие высокое качество арматуры. В качестве примера в табл. 2 приведено влияние скорости
протяжки на ТЛ-СПА-3 арматуры диаметром 6 мм при оптимальном температурном режиме на ее физико-механические и физико-химические свойства.
Из табл. 2 видно, что увеличение скорости протяжки снижает содержание связующего, уменьшает степень полимеризации
(отверждения полимера), увеличивает водопоглощение и снижает прочность арматуры. Наиболее высокие характеристики у арматуры, полученной при низких скоростях протяжки, однако
при скоростях 10 и 20 м свойства арматуры отличаются незначительно. Производительность же технологической линии при
скорости протяжки 20 м/ч увеличивается в два раза. Поэтому
в процессе отработки технологического режима на ТЛ-СПА-З
скорость протяжки стеклопластиковой арматуры диаметром 6 мм
была принята равной 20 м/ч.
Получить наиболее благоприятную структуру полимера в арматуре можно при наличии равномерного температурного поля в
отверждаемом материале, поэтому нами было изучено распределение температуры по сечению стержня. При этом было установлено, что на линии ТЛ-СПА-З обеспечивается равномерное температурное поле в материале.
Как указывалось выше, оптимальная скорость протяжки арматуры определяется ее диаметром и, кроме того, формой профиля
поперечного сечения. На ТЛ-СПА-З при замене фильер в формовочном узле можно выработать арматуру в виде полосы с разными размерами поперечного сечения и других профилей. Для каждого профиля и размеров его поперечного сечения (диаметра),
а также вида полимерного связующего на ТЛ-СПА-З отработаны
технологические режимы, обеспечивающие требуемое качество
арматуры.
Следует отметить, что незначительные отклонения от установленных режимов существенно снижают качество арматуры. В этой
связи на полупромышленном образце линии ТЛ-СПА-З применены
автоматический контроль и регулирование температурного режима во всех узлах линии. На промышленных установках должна
быть обеспечена полная автоматизация контроля и регулирования
процесса производства арматуры.
Производительность, т/год, технологической линии ТЛ-СПА-З
при непрерывной четырехсменной работе определяется следующей зависимостью:
П = vnckq • 10 ,
где и — скорость протяжки, м/ч; п ~ число каналов; с — число
рабочих часов в году; q — масса 1 м длины арматуры, г; к - коэффициент, учитывающий потери времени на заправку линии и профилактический ремонт, равный 0,9.