Вогнестійкі та спеціальні скловолоконні препреги | Weihai Dushi

Основна класифікація: точний поділ на основі орієнтації на продуктивність та сценаріїв застосування

Система категорій скловолоконних препрегів є багатою та різноманітною, її можна поділити на чотири основні групи залежно від типу смоли, розташування волокон, функціональних характеристик та типу скловолокна. Кожен тип продукту орієнтований на різні сфери застосування, зі строгим контролем дублювання менше ніж 50%, що забезпечує точну відповідність потребам різних галузей.

1. Функціональний поділ за типом смоли: термореактивні та термопластичні

Система смол є основним елементом, який визначає характеристики формування та сферу застосування скловолокна препрегу, яку можна поділити на дві основні категорії. Ці дві групи мають суттєві відмінності у механізмі затвердіння та орієнтації на властивості:

• Термореактивний препрег із скловолокна: На основі епоксидної смоли, фенольної смоли, поліестерної смоли тощо, вимагає необоротного поперечного зшивання та затвердіння шляхом нагрівання та тиску. На даний момент є основною категорією на ринку, займаючи понад 82% до 2024 року. Зокрема, продукти на основі епоксидної смоли широко використовуються у конструкційних елементах літаків і космічних апаратів, корпусах високотехнологічного електронного обладнання та інших сценаріях завдяки збалансованим механічним властивостям (міцність на розтяг може досягати понад 320 МПа) та відмінному зчепленню; Продукти на основі фенольної смоли мають високу вогнестійкість як свою головну перевагу, низьку густину диму та низьку токсичність під час горіння, що робить їх найкращим вибором для внутрішнього оздоблення вагонів рейкового транспорту та вогнетривких компонентів суден; Продукти на основі поліестеру/вінілового естеру мають нижчу вартість і підходять для загальних сценаріїв, чутливих до вартості, таких як палуби суден та промислові резервуари для зберігання. Основними характеристиками цього типу скловолокна prereg є стабільна структура та висока точність розмірів після затвердіння, проте цикл формування порівняно довгий (зазвичай 30–90 хвилин) і важко піддається переробці.
• Препрег із термопластичного скловолокна: Виготовлений із плавких смол, таких як поліетеретеркетон (PEEK), поліпропілен (PP) та поліамід (PA), має оборотні властивості «нагрівання-розм'якшення, охолодження-твердіння» і стрімко розвивається в останні роки, досягнувши частки ринку 18% у 2024 році. Його головною перевагою є висока ефективність формування, що скорочує цикл виробництва більше ніж на 60% порівняно з термореактивними матеріалами. Час однієї партії формування можна контролювати в межах 10–20 хвилин, а матеріал можна переробляти та повторно використовувати, що відповідає потребам масового виробництва деталей кузовів електромобілів, корпусів побутової техніки та інших виробів. Наприклад, панелі автомобільних дверей із PP-скловолокна зменшують вагу на 40% порівняно з традиційними металевими компонентами та можуть відновлювати пошкодження після зіткнення шляхом нагрівання, тим самим подовжуючи термін експлуатації.

2. Розташування волокон: проектування різних механічних властивостей для одноманітного та оплетеного плетіння

Розташування скловолокон безпосередньо визначає напрямність механічних властивостей напівфабрикатів із скловолокна, утворюючи дві основні категорії для різних сценаріїв навантаження:

• Односпрямоване скловолокно преґ Скляні волокна розташовані паралельно в одному напрямку з направленістю понад 99,5%, що забезпечує максимальні механічні властивості матеріалу вздовж осі волокна. Модуль пружності при розтягуванні може досягати понад 28 ГПа, тоді як поперечні характеристики порівняно слабкі. Цей тип продукту використовується переважно для конструкційних елементів, які здатні витримувати навантаження в одному напрямку, наприклад, силові нерви крила літака, головні балки лопатей вітрових турбін, армування мостів тощо. Шляхом багатонапрямкового комбінування можна досягти виконання складних умов навантаження. Поверхнева густина охоплює діапазон від 80 г/м² до 450 г/м² і може точно підбиратися залежно від величини навантаження. Наприклад, головна балка лопаті вітрової турбіни потужністю 10 МВт використовує односпрямований склопластик із поверхневою густиною 300 г/м², що дозволяє знизити вагу на 25% і збільшити жорсткість на 30%.
• Тканий склопластик із пропрегом: Скляні волокна переплетені та утворені у полотняному, діагональному, сатиновому та інших типах переплетення з багатонаправленим збалансованим розподілом механічних властивостей і кращою піддатливістю та стійкістю до ударів. Вироби з полотняного переплетення мають щільну структуру, високу зносостійкість і придатні для антикорозійних покриттів трубопроводів та захисних оболонок електронного обладнання; вироби з саржевого переплетення характеризуються відмінною гнучкістю і добре пристосовуються до складних вигнутих поверхонь, використовуються для корпусів суден та кузовних панелей автомобілів; сатинові вироби відрізняються високою міцністю на удар, з межею міцності при розтягуванні до 280 МПа, придатні для внутрішніх деталей літаків та високоякісного спортивного інвентарю. Продукти з різними способами ткацтва можуть поєднуватися з різними специфікаціями волоконних стрічок від 1K до 24K, утворюючи різноманітний вибір — від делікатних текстур до грубих структур.

3. Спеціальні категорії на замовлення для особливих сценаріїв на основі функціональних характеристик

Для екстремальних умов або спеціальних потреб компанія Glass fiber prepreg розробила кілька функціональних підкатегорій, що стали ключем до розширення меж застосування:

• Скловолокно пропрег з підвищеною термостійкістю: із використанням модифікованої епоксидної смоли або смоли на основі полііміду, температура тривалого використання може досягати 150–350 °C, а коефіцієнт збереження механічних властивостей при високих температурах перевищує 85%. Наприклад, продукти серії BMS 8-139 від Hexcel використовують смоляну систему HexPy® F161, температура відверджування становить 350 °F, що робить їх придатними для високотемпературних сценаріїв, таких як периферійні компоненти авіаційних двигунів та конструктивні елементи промислових печей.
• Вогнестійке скловолокно пропрег: З додаванням фосфору, азоту та безгалогенного антипирену, вогнестійкість може досягати рівня UL94 V0. Деякі продукти пройшли авіаційну сертифікацію, наприклад BMS 8-80, такий як продукт Solvay TY6 CL1 GR A, який використовує попередню пропитку Cycom® 4102 на основі поліестерної смоли, спеціально призначену для сценаріїв із надзвичайно високими вимогами щодо пожежної безпеки, наприклад, інтер'єри літаків та вагони залізничного транспорту.
• Склопластикова препрега зі стійкістю до погодних умов: смола містить інгредієнти, що запобігають ультрафіолетовому випромінюванню та старінню, завдяки чому термін служби у зовнішніх умовах та вологому середовищі становить понад 15 років, а показник густини диму (SDR) менше 20. Підходить для зовнішньої реклами, захисних плит мостів, обладнання океанічної вітроенергетики та інших сценаріїв.
• Склопластикова препрега з високою частотною ізоляцією: оптимізує діелектричні властивості смоли, забезпечуючи діелектричну проникність ≤ 3,2 та тангенс кута діелектричних втрат ≤ 0,005, стаючи основним матеріалом для антенних покриттів базових станцій 5G та радіолокаційних оболонок. Наприклад, Air Preg PE CF 6550 використовує скловолокно S-2, спеціально призначене для застосування у авіаційних радіолокаційних оболонках.

4. Диференціація основних характеристик за типом скловолокна

Властивості скловолокна як матеріалу забезпечують різні експлуатаційні характеристики препрегів на основі скловолокна, які головним чином поділяються на три категорії:

• Препреги на основі скловолокна E-glass: найпоширеніша базова категорія, що характеризується високою електричною ізоляцією та хімічною стійкістю, помірною вартістю, підходить для більшості звичайних застосувань, таких як електронне обладнання та промислові резервуари, становить понад 75% загального обсягу продажів препрегів на основі скловолокна.
• Препреги на основі скловолокна S-2: Високоміцний тип, з міцністю на розрив, збільшеною більше ніж на 30% порівняно зі скловолокном типу E, і кращою стійкістю до ударів. Основно використовується у конструкційних елементах літаків та космічних апаратів, високоякісних лопаттях вітрових турбін та інших сценаріях із жорсткими вимогами до міцності.
• Препрег на основі скловолокна типу C: Має виняткову стійкість до корозії як основну властивість, може протистояти ерозії сильними кислотами та лужними середовищами, підходить для сильно агресивних середовищ, таких як хімічні трубопроводи та конструкційні елементи морських платформ.

Ключова перевага: шість основних характеристик, що змінюють цінність матеріалів у застосуванні

Причина, чому препрег із скловолокна вирізняється серед багатьох композитних матеріалів і стає «обов’язковим матеріалом» для високотехнологічного виробництва, полягає в його комплексних перевагах у механічних властивостях, адаптації до технологічних процесів, стійкості до впливу навколишнього середовища та інших аспектах. Ці характеристики разом формують його незамінне становище на ринку.

1. Збалансовані механічні властивості та переваги легкості

Препрег із скловолокна досконало поєднує експлуатаційні переваги скловолокна та смоли, забезпечуючи баланс «високої міцності + легкості». Міцність на розтяг звичайного препрегу на основі E-скловолокна може досягати 280–350 МПа, що в 1,2–1,5 рази перевищує показник звичайної сталі, тоді як густина становить лише 1,8–2,0 г/см³, менше чверті від густини сталі та двох третин від алюмінієвого сплаву. У сфері рейкового транспорту внутрішні панелі та каркаси сидінь із препрегу зі скловолокна дозволяють знизити вагу одного вагона більш ніж на 250 кг, економлячи приблизно 42 000 кВт·год електроенергії на потяг на рік; у галузі авіації та космонавтики радіопрозорий обтічник літака виготовлений із препрегу на основі S-2 скловолокна, що зменшує вагу на 55% порівняно з традиційними металевими обтічниками та підвищує коефіцієнт проникнення сигналу на 15%. Крім того, модуль пружності при згині може досягати 25–30 ГПа, матеріал не деформується після тривалого використання й підходить для різних несучих конструкцій.

2. Відмінна екологічна адаптивність і довговічність

Скло скловолокно має стійкість до навколишнього середовища значно вищу, ніж у традиційних матеріалів, що робить його надійним вибором для складних умов експлуатації. З приводу стійкості до корозії, після занурення препрегу на основі С-скла у 5% розчин сірчаної кислоти протягом 1000 годин, швидкість деградації механічних характеристик становить менше 5%, що значно краще, ніж 40% деградації оцинкованого сталевого листа, і підходить для агресивних середовищ, таких як морська та хімічна промисловість; з приводу стійкості до атмосферних впливів, продукти з додаванням інгредієнтів, стійких до УФ-випромінювання, мають збереження кольору понад 90% після 5 років перебування на відкритому повітрі, без тріщин чи шелушіння; з приводу витривалості, при циклах динамічного навантаження (наприклад, ударами під час руху автомобіля чи обертанням вентилятора), коефіцієнт збереження витривалості досягає понад 88%, що на 10 процентних пунктів вище за середній показник галузі. Після використання скловолоконного препрегу для лопатей вітрових турбін термін їхньої служби може бути продовжено до понад 20 років.

3. Висока гнучкість у налаштуванні

Скловолокно преґрег дозволяє повністю налаштовувати розмірні параметри, точно відповідаючи індивідуальним потребам різних галузей. Система смоли може бути адаптована залежно від умов експлуатації, наприклад, термостійка фенольна смола для авіації та швидкотвердіння епоксидна смола для автомобілів; Точність контролю вмісту смоли досягає ±0,5%, забезпечуючи стабільність характеристик продукту; Ширина підтримує індивідуальне налаштування від 0,5 м до 2,0 м, а для великих корпусів суден можуть використовуватися матеріали шириною 2,0 м, що зменшує кількість стиків більше ніж на 50%; Функціональні характеристики можна комбінувати та накладати одна на одну, наприклад, такі комплексні функції, як «вогнетривкий + антистатичний» та «високотемпературний опір + корозійна стійкість». Наприклад, скловолокно преґрег із комплексними функціями, що використовується в компонентах вагонів залізничного транспорту, не лише відповідає вимогам UL94 V0 щодо вогнестійкості, але й має антистатичні властивості з поверхневим опором ≤ 10 ΩΩ.

4. Відмінна адаптація процесу та ефективність формування

Скло-волоконна заготовка сумісна з основними процесами формування композитних матеріалів, такими як гаряче пресування в формах, компресійне формування, вакуумне формування та намотка, і підходить для різноманітних потреб — від індивідуального замовлення до масового виробництва. Процес компресійного формування підходить для стандартизованих компонентів (наприклад, рам сидінь автомобілів), а час виготовлення одного виробу може бути обмежений 15–30 хвилинами з похибкою розмірної точності ≤±0,2 мм. Формування в гарячих формах підходить для високоякісних виробів аерокосмічної галузі, а рівень внутрішніх дефектів продукту становить менше 0,3% завдяки контролю тиску в діапазоні 0,8–1,2 МПа та температури 120–180 °C; спіральне формування підходить для циліндричних деталей, таких як трубопроводи та посудини під тиском. Напрямкове розташування скловолокон дозволяє досягти співвідношення міцності за віссю та в окружному напрямку 3:1, що відповідає вимогам транспортування під високим тиском. Крім того, напівотвердий стан матеріалу полегшує його різання та укладання, а рівень відходів становить лише 4–6%, що значно нижче, ніж 15–20% при традиційному мокрому формуванні, істотно зменшуючи втрати матеріалу.

5. Переваги у вартості протягом усього життєвого циклу

Хоча початкова вартість закупівлі скловолокна преґру значно вища, ніж у традиційних матеріалів, перевага в повному життєвому циклі є суттєвою. У галузі промислового обладнання його стійкість до корозії може подовжити термін технічного обслуговування обладнання з 6 до 24 місяців, знизивши витрати на обслуговування на 60%; у галузі нових джерел енергії використання скловолокна преґру для лопатей вітрових турбін може збільшити ефективність виробництва електроенергії на 5–8%, і одна вітрова турбіна потужністю 10 МВт може виробляти додатково 1,2 млн кВт·год електроенергії на рік; у суднобудуванні використання скловолокна преґру скорочує кількість процесів фарбування на 3 порівняно зі стальними корпусами, скорочує термін будівництва на 30% і зменшує витрати пального під час експлуатації на 15%. Можливість переробки термопластикових матеріалів додатково знижує витрати на сировину, при цьому показник збереження властивостей перероблених матеріалів становить понад 70%, що дозволяє використовувати їх для виготовлення вторинних конструкційних елементів.

6. Характеристики застосування з точки зору безпеки та охорони навколишнього середовища

Скло скловолокна має високу екологічність на етапах виробництва та використання. На стадії виробництва використовується процес попереднього просочування, що дозволяє уникнути забруднення ЛОС через випаровування смоли під час вологого формування, зменшуючи викиди шкідливих речовин більш ніж на 80%; На етапі використання, вогнестійкі матеріали не виділяють токсичних газів під час горіння і відповідають європейським екологічним стандартам, таким як EN45545; На етапі переробки термопластичні матеріали можуть бути перероблені шляхом плавлення та повторного формування, тоді як термореактивні матеріали можуть бути подрібнені й використані як наповнювачі, що відповідає тенденції зеленого виробництва в умовах досягнення цілі «подвійної карбонізації». У сфері електронних пристроїв його висока електрична ізоляція також зменшує електромагнітне випромінювання та підвищує безпеку експлуатації.

Технологічна перевага: точний контроль і підвищення вартості від сировини до готового продукту.

Досконалість скловолокна преґрег залежить від точного процесу виробництва та повного контролю якості на всіх етапах. Його технологічна система не лише забезпечує узгодженість продукту, але й досягає оптимального балансу між продуктивністю та вартістю, стаючи основою конкурентоспроможності продукту.

• 1. Основний виробничий процес: Подвійне забезпечення методом гарячого розплаву та методом розчинного просочування. У галузі широко застосовують два основних процеси просочування, які можна гнучко вибирати залежно від позиціонування продукту та вимог до якості, щоб забезпечити стабільність характеристик скловолокна преґрег
• 2. Процес гарячого розплаву: Нагрійте смолу до 80-120 ℃, щоб знизити в'язкість, рівномірно нанесіть смолу на поверхню скловолокна за допомогою прес-валка гарячого стиснення підвищеної точності, а потім швидко охолодіть до кімнатної температури через охолоджувальний валок для завершення напівотвердіння та формування. Основною перевагою цього процесу є відсутність залишків розчинника, точний контроль вмісту смоли з точністю до ±0,5% і висока узгодженість розташування волокон, що робить його особливо придатним для виробництва високоякісних препрегів із скловолокна для авіаційно-космічної галузі. Усі серії продуктів HexPy від корпорації Hexcel® використовують цей процес, контролюючи тиск (0,8–1,2 МПа) та швидкість (5–10 м/хв) прес-валка за допомогою комп'ютерного керування, забезпечуючи похибку розподілу смоли на квадратний метр продукту менше 0,3%.
• 3. Процес розчинної пропитки: Смолу розчиняють в органічних розчинниках, таких як ацетон та етанол, утворюючи розчин з низькою в'язкістю. Після того, як скловолокно повністю адсорбує смолу в пропитувальній ємності, розчинник випаровується через багатоступеневий канал сушіння гарячим повітрям (градієнт температур 50–120 °C), і нарешті формується напівзатверділий стан. Обладнання для цього процесу має низьку вартість інвестицій та високу продуктивність (швидкість лінії досягає 15–20 м/хв), що робить його придатним для масового виробництва універсальних заготовок ізі скловолокна. Щоб вирішити проблему залишкових розчинників, у галузі широко застосовується технологія видалення з вакуумною допомогою, яка знижує вміст залишкового розчинника до менш ніж 0,1%, запобігаючи утворенню бульбашок та дефектів розшарування після затвердіння виробу.
• 4. Ключові точки контролю процесу: П'ять основних процесів, що визначають продуктивність, наприклад стабільність якості заготовки скловолокна, походять від тонкого контролю всього виробничого процесу. Серед них п’ять ключових процесів безпосередньо визначають остаточні характеристики продукту:
• 5. Обробка поверхні скловолокна: Активність поверхні волокна підвищується за рахунок окисної обробки, після чого наноситься силановий зв'язувальний агент для підвищення міцності адгезії між скловолокном та смолою. Після обробки міцність зчеплення на відрив збільшилася більше ніж на 40%, ефективно вирішуючи проблему розшарування, до якої схильні традиційні продукти. Після цієї обробки ударна в’язкість препрегу на основі скловолокна S-2 може бути покращена на 35%.
• 6. Точна модуляція смоляної формули: Згідно з функціональними вимогами продукту, смолу, отверджувач, добавки та інші компоненти точно дозують. Наприклад, для вогнестійких продуктів необхідно додавати 15%–20% фосфорно-азотних вогнегасних добавок разом із 0,5% антикрапельних агентів; для термостійких продуктів молярне співвідношення епоксидної смоли до отверджувача має бути відрегульоване до 1:1,05, щоб забезпечити щільність зшивання. Формулу готують за допомогою повністю автоматизованої системи змішування, похибка контролюється в межах ±0,1%.
• 7. Динамічний контроль параметрів просочення: Оптимізація швидкості, температури та тиску просочення в реальному часі залежно від характеристик пучків скловолокна та в'язкості смоли. Наприклад, швидкість просочення продуктів із пучками волокон 1K контролюється на рівні 8-10 м/хв, а тиск знижується до 0,6 МПа, щоб уникнути розриву волокон; для продуктів із більш товстими пучками волокон 12K швидкість можна збільшити до 15 м/хв, а тиск — до 1,0 МПа, забезпечуючи достатнє проникнення смоли.
• 8. Точний контроль стадії B-отвердіння: Шляхом регулювання температури та часу сушіння ступінь отвердіння смоли підтримується на напівотверділому рівні 30–40 %, що забезпечує певну липкість продукту для полегшення формування шарів і запобігання передчасному повному отвердінню. Ступінь отвердіння постійно контролюється методом диференційної скануючої калориметрії (DSC) з похибкою менше 2%.
• 9. Сувора перевірка якості готової продукції: Кожна партія продуктів повинна пройти кілька тестів, включаючи вміст смоли (точність ± 0,1%), поверхневу щільність волокна (± 2 г/м²), міцність на розтягування, вогнестійкість тощо. Система комп'ютерного зору використовується для виявлення рівномірності розташування волокон із частотою виявлення дефектів 99,9%, забезпечуючи тим самим, що некваліфіковані продукти не потрапляють на ринок.
• 10. Тенденція інновацій у технологічних процесах: Три основні напрямки сприяння оновленню категорій. Промисловість продовжує покращувати експлуатаційні характеристики та співвідношення ціни та якості склопластику шляхом інновацій у технологічних процесах, і три основні напрямки інновацій визначають розвиток категорії:
• 11. Оновлення автоматизованої виробничої лінії: Застосування промислових роботів та систем керування на основі штучного інтелекту для повної автоматизації процесів — від розгортання скловолокна, просочення, затвердіння до намотування — дозволяє підвищити ефективність виробництва більше ніж на 50% і знизити похибку узгодженості продукту до ±0,3%. Наприклад, автоматизована виробнича лінія провідного підприємства здатна забезпечити добовий випуск 5000 квадратних метрів на лінію, що втричі перевищує показники традиційних ручних ліній.
• 12. Прорив у технології багатовісного армування: Розроблено багатовіську виробничу лінію для попереднього формування скловолокна, яка одночасно забезпечує синхронне просочення волокон у кількох напрямках: 0°, 90°, ±45°, що скорочує подальші операції шарування продукту та підвищує ефективність виробництва на 40%. Особливо підходить для виготовлення великих компонентів, таких як лопаті вітрових турбін або корпуси суден.
• 13. Дослідження та застосування екологічних технологій: Рекламуйте процес імпрегнування без розчинників та застосування смол на основі біологічних матеріалів (наприклад, епоксидних смол на основі рослин) для зменшення залежності від нафтових сировин. У той же час розробляйте технологію хімічного перероблення термореактивних продуктів, щоб підвищити рівень переробки понад 60%, що відповідає тенденції зеленого виробництва та кругової економіки.