Огнестойкие и специальные стекловолоконные препреги | Weihai Dushi

Основная классификация: точное разделение на основе ориентации по производительности и сценариев применения

Система категорий препрегов из стекловолокна разнообразна и может быть разделена на четыре основные категории в зависимости от типа смолы, расположения волокон, функциональных характеристик и типа стекловолокна. Каждый тип продукции ориентирован на различные сферы применения, при этом уровень пересечения строго контролируется на уровне ниже 50%, что обеспечивает точное соответствие потребностям различных отраслей.

1. Разделение по функциональным признакам в зависимости от типа смолы: термореактивные и термопластичные

Система смол является ключевым элементом, определяющим характеристики формования и область применения препрега из стекловолокна, и может быть разделена на две основные категории. Эти категории существенно различаются по механизму отверждения и основным эксплуатационным свойствам:

• Термореактивный препрег из стекловолокна: На основе эпоксидной смолы, фенольной смолы, полиэфирной смолы и т.д., требует необратимого поперечного сшивания и отверждения путем нагрева и давления. В настоящее время это основная категория на рынке, доля которой к 2024 году превышает 82%. Среди них продукты на основе эпоксидной смолы широко используются в конструкционных элементах аэрокосмической отрасли, корпусах высокотехнологичного электронного оборудования и других областях благодаря сбалансированным механическим свойствам (прочность на растяжение может достигать более 320 МПа) и отличной адгезии; Продукты на основе фенольной смолы обладают превосходной огнестойкостью как основным преимуществом, при горении характеризуются низкой плотностью дыма и низкой токсичностью, что делает их предпочтительным выбором для внутренней отделки железнодорожных вагонов и огнестойких компонентов судов; Продукты на основе полиэфира/винилэфира имеют более низкую стоимость и подходят для чувствительных к цене общих применений, таких как палубы судов и промышленные резервуары для хранения. Основными характеристиками этого типа стеклотканевого препрега являются стабильная структура и высокая размерная точность после отверждения, однако цикл формования относительно длительный (обычно 30–90 минут) и трудно поддающийся переработке.
• Термопластичный стекловолоконный препреги: Изготовлен из плавких смол, таких как полиэфирэфиркетон (PEEK), полипропилен (PP) и полиамид (PA), обладает обратимыми свойствами «нагрев-размягчение, охлаждение-отверждение» и быстро развивается в последние годы, к 2024 году доля рынка составила 18%. Его основное преимущество — высокая эффективность формования, что сокращает цикл производства более чем на 60% по сравнению с термореактивными материалами. Время единичного цикла формования может быть сокращено до 10–20 минут, материал пригоден для переработки и повторного использования, что отвечает потребностям массового производства деталей кузова электромобилей, корпусов бытовой техники и других изделий. Например, панели автомобильных дверей из стеклопластика на основе PP имеют снижение веса на 40% по сравнению с традиционными металлическими компонентами и могут частично восстанавливать повреждения после столкновения путем нагрева, тем самым увеличивая срок службы.

2. Расположение волокон: конструктивное различие механических характеристик однонаправленного и оплетённого армирования

Расположение стеклянных волокон напрямую определяет направленность механических свойств преформ из стекловолокна, формируя две основные категории для различных условий нагрузки:

• Однонаправленная пропитанная смолой лента из стекловолокна: Стеклянные волокна расположены параллельно в одном направлении с направленностью более 99,5%, что обеспечивает максимальные механические свойства материала по оси волокна. Модуль упругости при растяжении может достигать более 28 ГПа, в то время как поперечные характеристики относительно слабые. Этот тип продукции в основном используется для конструкционных элементов, способных выдерживать односторонние нагрузки, например, усиливающие нервюры крыла самолета, основные балки лопастей ветровой турбины, армирующие слои мостов и т.д. С помощью многонаправленного стекирования можно удовлетворить сложные требования по нагрузкам. Поверхностная плотность охватывает диапазон от 80 г/м² до 450 г/м² и может точно подбираться в зависимости от величины нагрузки. Например, основная балка лопасти ветровой турбины мощностью 10 МВт использует однонаправленный стеклопластик с поверхностной плотностью 300 г/м², что позволяет снизить вес на 25% и увеличить жесткость на 30%.
• Тканевый стеклопластик в пропитанном состоянии (prepreg): Стеклянные волокна переплетаются и формируются способами полотняного, саржевого, сатинового и другими видами переплетения, обеспечивая многонаправленное сбалансированное распределение механических свойств, а также лучшую драпируемость и ударопрочность. Изделия с полотняным переплетением имеют плотную структуру, высокую износостойкость и подходят для антикоррозионных покрытий трубопроводов и защитных корпусов электронного оборудования; изделия с саржевым переплетением обладают превосходной гибкостью и могут повторять сложные криволинейные поверхности, применяются для судовых корпусов и облицовки автомобильных кузовов; изделия с сатиновым переплетением отличаются высокой прочностью на удар, с пределом прочности при растяжении до 280 МПа, подходят для деталей интерьера авиакосмической техники и спортивного оборудования премиум-класса. Продукты с различными способами переплетения могут комбинироваться с разными спецификациями пучков волокон от 1K до 24K, образуя разнообразный выбор — от тонкой текстуры до грубых структур.

3. На основе функциональных характеристик создаются индивидуальные производные категории для особых сценариев

Для экстремальных условий или особых требований компания Glass fiber prepreg разработала несколько функциональных подкатегорий, ставших ключом к расширению границ применения:

• Стеклопластик с высокой термостойкостью: с использованием модифицированной эпоксидной смолы или смолы на основе полиимида, температура длительного использования может достигать 150–350 °C, а коэффициент сохранения механических свойств при высоких температурах превышает 85 %. Например, продукты серии BMS 8-139 от Hexcel используют смоляную систему HexPy® F161, температура отверждения составляет 350 °F, что делает их пригодными для высокотемпературных условий, таких как периферийные компоненты авиационных двигателей и конструкционные элементы промышленных печей.
• Огнестойкий стеклопластик: С добавлением фосфора, азота и бесгалогенного антипирена, огнезащитные свойства могут достигать уровня UL94 V0. Некоторые продукты прошли авиационную сертификацию, например BMS 8-80, такие как продукт Solvay TY6 CL1 GR A, который использует полиэфирную смолу Cycom® 4102, специально предназначенную для сценариев с чрезвычайно высокими требованиями к пожарной безопасности, таких как интерьеры самолетов и вагоны железнодорожного транспорта.
• Стеклоткань с пропиткой, устойчивая к атмосферным воздействиям: смола содержит ингредиенты, защищающие от ультрафиолетового излучения и старения, что обеспечивает срок службы более 15 лет при эксплуатации на открытом воздухе и в условиях повышенной влажности; показатель плотности дыма (SDR) менее 20. Подходит для наружной рекламы, защитных панелей мостов, оборудования морских ветровых электростанций и других подобных сфер применения.
• Стеклоткань с пропиткой для высокочастотной изоляции: оптимизирует диэлектрические свойства смолы с диэлектрической проницаемостью ≤ 3,2 и тангенсом угла диэлектрических потерь ≤ 0,005, становясь основным материалом для антенных обтекателей базовых станций 5G и радарных обтекателей. Например, Air Preg PE CF 6550 использует стекловолокно S-2, специально подходящее для применений в авиационных радарных обтекателях.

4. Различия основных характеристик в зависимости от типа стекловолокна

Свойства самого стекловолокна обеспечивают различные эксплуатационные характеристики препрегов на его основе, которые в основном делятся на три категории:

• Препреги на основе стекловолокна E-glass: наиболее распространённая базовая категория, обладающая отличной электрической изоляцией и химической стабильностью, умеренной стоимостью, подходит для большинства типичных применений, таких как электронное оборудование и промышленные резервуары, составляет более 75 % общего объёма продаж препрегов на основе стекловолокна.
• Препреги на основе стекловолокна S-2: Высокопрочный тип, обладающий прочностью на растяжение, увеличенной более чем на 30% по сравнению со стекловолокном типа E, а также повышенной стойкостью к ударным нагрузкам. Основное применение — в конструкционных элементах аэрокосмической отрасли, лопастях ветряных турбин премиум-класса и других областях с жесткими требованиями к прочности.
• Препреги на основе стекловолокна типа C: Отличаются высокой коррозионной стойкостью, способны выдерживать воздействие сильных кислот и щелочей, подходят для использования в условиях сильной коррозии, например, в химических трубопроводах и конструкционных элементах морских платформ.

Ключевое преимущество: шесть основных характеристик, формирующих новую ценность применения материалов

Причина, по которой препреги на основе стекловолокна выделяются среди множества композитных материалов и становятся «обязательным материалом» для высокотехнологичного производства, заключается в их комплексных преимуществах по механическим свойствам, адаптации к технологическим процессам, устойчивости к внешним воздействиям и другим параметрам. Эти характеристики в совокупности обеспечивают их незаменимое положение на рынке.

1. Сбалансированные механические свойства и преимущества легкости

Препреги из стекловолокна идеально сочетают в себе эксплуатационные преимущества стекловолокна и смолы, обеспечивая баланс «высокой прочности и легкости». Прочность на растяжение обычного препрега на основе стекловолокна Е-класса достигает 280–350 МПа, что в 1,2–1,5 раза выше, чем у обычной стали, при плотности всего 1,8–2,0 г/см³, что менее чем в четверть плотности стали и составляет 2/3 от плотности алюминиевого сплава. В области железнодорожного транспорта панели интерьера и каркасы сидений из препрега стекловолокна позволяют снизить вес одного вагона более чем на 250 кг, что экономит около 42 000 кВт·ч электроэнергии в год на поезд; в аэрокосмической отрасли радом самолета изготавливается из препрега на основе стекловолокна S-2, что снижает вес на 55% по сравнению с традиционными металлическими обтекателями и повышает коэффициент проникновения сигнала на 15%. Кроме того, модуль изгиба может достигать 25–30 ГПа, материал не деформируется при длительном использовании и подходит для различных несущих конструкций.

2. Отличная экологическая адаптивность и долговечность

Пропитка из стекловолокна обладает устойчивостью к воздействию окружающей среды, значительно превосходящей традиционные материалы, что делает её надёжным выбором для сложных условий эксплуатации. По показателям коррозионной стойкости после выдержки препрега на основе стекловолокна типа C в 5%-ном растворе серной кислоты в течение 1000 часов скорость деградации механических характеристик составляет менее 5%, что намного лучше, чем 40%-ное снижение прочности оцинкованного стального листа, и позволяет применять материал в условиях сильной коррозии, например, в морской и химической промышленности; по устойчивости к атмосферным воздействиям изделия с добавлением компонентов, защищающих от УФ-излучения, сохраняют цвет более чем на 90% после пятилетнего нахождения под открытым небом, не растрескиваясь и не осыпаясь; по усталостной прочности при циклических динамических нагрузках (например, при ударах автомобиля или вращении вентилятора) коэффициент сохранения усталостной прочности превышает 88%, что на 10 процентных пунктов выше среднего показателя отрасли. При использовании препрега из стекловолокна для лопастей ветровых турбин срок их службы может быть увеличен до более чем 20 лет.

3. Высокая гибкость возможностей индивидуальной настройки

Препреги из стекловолокна позволяют полностью настраивать размерные параметры, точно соответствуя индивидуальным потребностям различных отраслей. Система смол может корректироваться в зависимости от сценария применения, например, термостойкая фенольная смола для авиации и быстротвердеющая эпоксидная смола для автомобилей; точность контроля содержания смолы достигает ±0,5%, что обеспечивает стабильность эксплуатационных характеристик продукции; ширина может быть адаптирована в диапазоне от 0,5 м до 2,0 м, а для крупногабаритных судовых корпусов могут использоваться продукты шириной 2,0 м, что позволяет сократить количество стыковых швов более чем на 50%; функциональные характеристики можно комбинировать и объединять, например, такие составные функции, как «антиперенос + антистатический» и «высокая термостойкость + коррозионная стойкость». Например, применяемый в компонентах каркаса железнодорожного транспорта препрег из стекловолокна не только соответствует требованиям пожаробезопасности UL94 V0, но также обладает антистатическими свойствами с поверхностным сопротивлением ≤ 10 ΩΩ.

4. Отличная адаптация процесса и эффективность формования

Стекловолоконная заготовка совместима с основными процессами формования композитных материалов, такими как горячее прессование в формах, компрессионное формование, вакуумный пакет и намотка, и подходит для различных потребностей — от индивидуальной разовой сборки до массового производства. Процесс компрессионного формования подходит для стандартизированных компонентов (например, каркасов автомобильных сидений), а время единичного производственного цикла может быть сокращено до 15–30 минут при точности размеров ≤±0,2 мм. Формование в горячих пресс-формах подходит для высокотехнологичных изделий в аэрокосмической отрасли, а показатель внутренних дефектов изделия составляет менее 0,3% благодаря контролю давления в диапазоне 0,8–1,2 МПа и температуры в диапазоне 120–180 °C; спиральное формование подходит для цилиндрических деталей, таких как трубы и сосуды под давлением. Направленное расположение стекловолоконных нитей позволяет достичь соотношения прочности по оси и в окружном направлении 3:1, что соответствует требованиям транспортировки под высоким давлением. Кроме того, полузатвердевшее состояние заготовки обеспечивает простоту резки и укладки, а процент отходов составляет всего 4–6%, что значительно ниже 15–20% при традиционном мокром формовании, что существенно снижает расход материала.

5. Преимущества в соотношении затрат и выгод на протяжении всего жизненного цикла

Хотя первоначальная стоимость закупки стеклопластика с предварительной пропиткой выше, чем у традиционных материалов, преимущество по полному жизненному циклу является значительным. В области промышленного оборудования его коррозионная стойкость позволяет увеличить интервал технического обслуживания с 6 до 24 месяцев, снизив эксплуатационные расходы на 60 %; в сфере новых источников энергии использование стеклопластика с предварительной пропиткой для лопастей ветровых турбин позволяет повысить эффективность выработки электроэнергии на 5–8 %, и одна ветровая турбина мощностью 10 МВт может дополнительно вырабатывать 1,2 млн кВт·ч электроэнергии в год; в судостроении применение стеклопластика с предварительной пропиткой сокращает количество процессов нанесения покрытий на 3 по сравнению со стальными корпусами, сокращает срок строительства на 30 % и снижает расход топлива при плавании на 15 %. Возможность переработки термопластичных изделий дополнительно снижает затраты на сырьё, при этом показатель сохранения свойств переработанных материалов составляет более 70 %, что позволяет использовать их для изготовления вторичных конструкционных элементов.

6. Характеристики применения в области безопасности и охраны окружающей среды

Стеклотканевая пропитка обладает высокой экологичностью как на этапе производства, так и при использовании. На стадии производства применяется процесс предварительного пропитывания, что позволяет избежать загрязнения ЛОС за счёт испарения смол при влажном формовании, сокращая выбросы вредных веществ более чем на 80 %; На этапе эксплуатации огнестойкие изделия при горении не выделяют токсичных газов и соответствуют европейским экологическим стандартам, таким как EN45545; На этапе переработки термопластичные изделия могут быть переработаны путём плавления и повторного формования, а термореактивные материалы могут быть измельчены и использованы в качестве наполнителей, что соответствует тенденции зелёного производства в рамках цели "двойной углерод". В области электронных устройств их отличная электрическая изоляция также снижает электромагнитное излучение и повышает безопасность использования.

Технологическое преимущество: точный контроль и повышение ценности на всех этапах — от сырья до готового продукта.

Превосходство препрега из стекловолокна заключается в его точном производственном процессе и полном контроле качества на всех этапах. Его технологическая система не только обеспечивает стабильность продукции, но и достигает оптимального баланса между производительностью и стоимостью, становясь ключевой основой конкурентоспособности продукта.

• 1. Основной производственный процесс: Двойная гарантия метода горячего нанесения и способа пропитки раствором. В отрасли широко применяются два основных процесса пропитки, которые могут гибко выбираться в зависимости от позиционирования продукта и требований к качеству, обеспечивая стабильность характеристик препрега из стекловолокна
• 2. Процесс горячего нанесения: Нагрейте смолу до 80–120 °C, чтобы снизить вязкость, равномерно нанесите смолу на поверхность стекловолокна с помощью пресс-валика с точным температурным контролем, а затем быстро охладите до комнатной температуры с помощью охлаждающего валика для завершения полимеризации и формования. Основное преимущество этого процесса — отсутствие остатков растворителя, точный контроль содержания смолы с погрешностью до ±0,5% и высокая однородность расположения волокон, что делает его особенно подходящим для производства высококачественных препрегов из стекловолокна для аэрокосмической промышленности. Компания Hexcel Corporation® применяет этот метод во всех сериях продукции HexPy, обеспечивая компьютерное управление давлением (0,8–1,2 МПа) и скоростью (5–10 м/мин) нагревательного валика, что позволяет удерживать погрешность распределения смолы на квадратный метр продукции менее чем на 0,3%.
• 3. Процесс импрегнации раствором: Смола растворяется в органических растворителях, таких как ацетон и этанол, с образованием раствора с низкой вязкостью. После того как стекловолокно полностью адсорбирует смолу в пропиточной ванне, растворитель испаряется в многозонном канале сушка горячим воздухом (градиент температуры 50–120 °C), в результате формируется полуотвержденное состояние. Оборудование для этого процесса имеет низкую стоимость инвестиций и высокую производительность (скорость линии до 15–20 м/мин), что делает его подходящим для крупносерийного производства универсальных стеклопластиковых преформ. Для решения проблемы остатков растворителя в отрасли широко применяется вакуумная технология удаления, которая снижает содержание остаточного растворителя до менее чем 0,1 % и предотвращает появление пузырей и расслоения после отверждения изделия.
• 4. Ключевые точки контроля процесса: Пять основных процессов, определяющих производительность, например стабильность качества заготовки из стекловолокна, основаны на тонком контроле всего производственного процесса. Среди них пять ключевых процессов непосредственно определяют конечные характеристики продукта:
• 5. Поверхностная обработка стекловолокна: Активность поверхности волокна повышается за счёт окислительной обработки, после чего наносится силановый связующий агент для усиления прочности межфазного сцепления между стекловолокном и смолой. После обработки прочность соединения на отрыв увеличивается более чем на 40 %, что эффективно решает проблему расслоения, характерную для традиционных продуктов. После такой обработки ударная стойкость препрега на основе стекловолокна S-2 может быть повышена на 35 %.
• 6. Точная модуляция смоляной формулы: В соответствии с функциональными требованиями продукта смола, отвердитель, добавки и другие ингредиенты точно дозируются. Например, для огнестойких продуктов требуется добавление 15%–20% фосфорсодержащих азотных антипиренов вместе с 0,5% антикапельных агентов; для термостойких продуктов необходимо отрегулировать молярное соотношение эпоксидной смолы и отвердителя до 1:1,05 для обеспечения плотности сшивки. Состав готовится с использованием полностью автоматической системы смешивания, погрешность контролируется в пределах ±0,1%.
• 7. Динамическое управление параметрами пропитки: Оперативная регулировка скорости пропитки, температуры и давления на основе характеристик пучков стекловолокна и вязкости смолы. Например, скорость пропитки продукции с пучком нитей 1K контролируется на уровне 8-10 м/мин, а давление снижается до 0,6 МПа для предотвращения разрыва волокон; для продукции с крупным пучком волокон 12K скорость может быть увеличена до 15 м/мин, а давление — до 1,0 МПа для обеспечения достаточной пропитки смолой.
• 8. Точное управление стадией B-отверждения: Путем регулировки температуры и времени сушки степень отверждения смолы поддерживается на полузатвердевшем уровне 30–40 %, что обеспечивает определённую вязкость продукта для удобства слоения и предотвращает преждевременное полное отверждение. Непрерывный контроль степени отверждения методом дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) с погрешностью менее 2 %.
• 9. Строгий контроль качества готовой продукции: Каждая партия продукции должна проходить несколько испытаний, включая содержание смолы (точность ±0,1%), поверхностную плотность волокна (±2 г/м²), прочность на растяжение, огнестойкость и т.д. Система машинного зрения используется для контроля равномерности расположения волокон с показателем выявления дефектов 99,9%, что гарантирует отсутствие на рынке некачественной продукции.
• 10. Тенденция технологических инноваций: Три основных направления продвижения модернизации категории. Промышленность продолжает улучшать характеристики и соотношение цены и качества стеклопластика за счет технологических инноваций, и три ключевых направления инноваций определяют развитие категории:
• 11. Модернизация автоматизированной производственной линии: Внедрение промышленных роботов и систем управления на основе искусственного интеллекта позволило достичь полной автоматизации всего процесса — от размотки стекловолокна, пропитки, отверждения до намотки, что увеличило производительность более чем на 50% и снизило погрешность в однородности продукции до ±0,3%. Например, автоматизированная производственная линия ведущего предприятия способна достигать суточного выпуска 5000 квадратных метров на линию, что в три раза превышает показатели традиционных ручных производственных линий.
• 12. Прорыв в технологии многоосной укладки: Разработана производственная линия для изготовления многоосных стеклопластиковых заготовок, способная одновременно обеспечивать синхронную пропитку волокон в нескольких направлениях — 0°, 90°, ±45°, что сокращает последующие процессы слоения изделий и повышает производительность на 40%. Особенно подходит для производства крупногабаритных деталей, таких как лопасти ветряных турбин и корпуса судов.
• 13. Исследования и применение экологически чистых технологий: Продвигайте процесс пропитки без растворителей и применение био-смол (например, эпоксидных смол на растительной основе) для снижения зависимости от сырья на основе нефти. В то же время разрабатывайте технологии химической переработки термореактивных продуктов, чтобы повысить уровень переработки до более чем 60%, что соответствует тенденции зеленого производства и циклической экономики.