Стекловолоконная пропиточная экструзия как важная технология формования композитных материалов значительно совершенствовалась с момента её появления в США в 1950-х годах. В этом процессе непрерывные волокна, пропитанные смолой, протягиваются через нагретую матрицу, что обеспечивает одновременное отверждение смолы и формирование профиля, позволяя непрерывно производить композитные материалы товары с постоянной формой поперечного сечения и неограниченной длиной. Особую ценность представляет высокая способность к формованию сложных профилей поперечного сечения, благодаря чему пропиточно-экструдированные стекловолоконные профили обладают уникальной ценностью в многочисленных отраслях промышленности. В настоящее время, по мере ускорения глобального производства перехода к технологиям лёгких конструкций и снижения углеродного следа, применение сфера применения этих изделий постоянно расширяется.
I. Строительное инженерное дело и энергосберегающие окна и двери
Строительная отрасль является традиционной областью применения профилей из стеклопластика, полученных методом пултрузии; наиболее типичным примером здесь являются окна и двери из стеклопластика. Для их изготовления применяется технология пултрузии, позволяющая получать полые профили, которые затем нарезаются и собираются в готовые изделия, объединяя прочность стальных окон с теплоизоляционными и энергосберегающими свойствами ПВХ-окон. С точки зрения физико-механических свойств стеклопластиковые профили имеют плотность около 1,9 г/см³ — то есть в 4–5 раз меньшую, чем у стали, — при этом их предел прочности при растяжении сопоставим с пределом прочности обычной углеродистой стали, а предел прочности при изгибе примерно в восемь раз превышает аналогичный показатель для ПВХ-профилей. Это означает, что стеклопластиковые двери и окна не требуют внутреннего стального армирования для обеспечения необходимой прочности. Кроме того, их коэффициент линейного теплового расширения составляет примерно одну треть от соответствующего значения для алюминиевых сплавов и одну десятую — для ПВХ, что делает их менее подверженными деформации или образованию зазоров при усадке в условиях значительных колебаний температуры.
С точки зрения энергосбережения и охраны окружающей среды стеклопластиковые профили являются превосходными теплоизоляционными материалами. При использовании в сочетании со стеклопакетами они позволяют значительно снизить энергопотребление зданий. Согласно соответствующим оценкам, замена 40 % оконных конструкций, не отвечающих требованиям энергоэффективности, на энергоэффективные окна в моей стране позволила бы ежегодно экономить 156 млн тонн угля. Кроме того, стеклопластиковые двери и окна обладают водонепроницаемостью на два класса выше, чем ПВХ-окна, а их стойкость к коррозии делает их особенно пригодными для эксплуатации во влажных прибрежных районах и на химических предприятиях. Расчётный срок службы таких изделий составляет 30 лет — это выше, чем у алюминиевых окон (20 лет) и ПВХ-окон (15 лет). Хотя уровень осведомлённости рынка в моей стране пока остаётся низким, комплексные преимущества стеклопластика как энергосберегающего строительного материала уже получили широкое признание в отрасли. В более широкой области строительных конструкций вытяжные профили могут применяться в качестве несущих элементов кровли, ограждений зданий и армирующих решёток для стен. На передовом этапе исследований в области «умных» зданий вытяжные профили, интегрированные с проводящими волокнами, встраиваются в системы витражных фасадов, что позволяет осуществлять мониторинг состояния конструкции. Эта инновация уже была продемонстрирована на нескольких знаковых объектах в Китае.
II. Индустрия новых источников энергии и энергетики. Бурное развитие индустрии новых источников энергии открыло обширные возможности применения профилей из стеклопластика, полученных методом пропитки и вытяжки. В секторе морской ветроэнергетики пропитанные и вытянутые листы широко используются в качестве основных или вспомогательных балок для лопастей ветротурбин. Благодаря комбинации трёхмерного стекловолоконного армирования и наномодификации можно создавать профили по индивидуальному заказу, обладающие осевой прочностью на сжатие до 620 МПа — на 40 % выше, чем у традиционных профилей, при одновременном снижении массы на 75 % по сравнению со стальными аналогами. В агрессивной коррозионной среде морского побережья с высоким содержанием солевого тумана и повышенной влажностью стеклопластиковые материалы демонстрируют высокую атмосферостойкость, что существенно снижает совокупные эксплуатационные затраты на техническое обслуживание в течение всего жизненного цикла по сравнению с металлическими решениями.
В энергетической отрасли ключевое преимущество стеклопластиковых профилей, полученных методом пропитки и вытяжки (пультрузии), заключается в их превосходных диэлектрических свойствах. Полые изоляционные траверсы, произведённые методом пультрузии, обладают объёмным удельным электрическим сопротивлением свыше 10^15 Ом·см и способны выдерживать сильные электрические поля напряжённостью до 100 кВ/м. Это обеспечивает их широкое применение в кабельных лотках высокого напряжения, прокладках трансформаторов, операционных штангах распределительных помещений и кабельных опорах подстанций. Под влиянием как строительства «умных сетей», так и модернизации устаревших электросетей эти лёгкие, высокопрочные и не требующие технического обслуживания композитные элементы постепенно заменяют традиционные конструкции из стали и дерева.
Хранение водородной энергии как зарождающийся сектор энергетики также порождает значительный спрос на профили, полученные методом пропитки. Опоры для водородных баков, изготовленные с использованием формованных матриц с поперечным сечением, обеспечивают сопротивление давлению до 120 МПа при контроле допуска толщины стенки в пределах ±0,1 мм, что позволяет снизить массу на 60 % по сравнению с традиционными металлическими компонентами. Данное технологическое прорывное решение обеспечивает ключевую материалоёмкую поддержку облегчённого проектирования водородных транспортных средств с топливными элементами.
III. Нефтехимическая и морская инженерия. В нефтехимической промышленности присутствуют кислоты, щелочи, соли и различные органические растворители, из-за чего коррозия металлических материалов в таких средах является чрезвычайно выраженной. Стеклопластиковые профили, полученные методом протяжки, обладают превосходной стойкостью к химической коррозии и поэтому стали идеальным материалом для несущих конструкций на химических предприятиях. Применение модифицированных систем на основе винилэфирных или фторуглеродных смол позволяет продлить срок службы таких профилей до более чем 15 лет в экстремальных условиях при значениях pH от 1 до 14.
В практических инженерных приложениях протяжные профили широко применяются в химических цехах для рабочих площадок, переходов, лестниц и поручней, кабельных лотков, опор для труб, опор насадки в колоннах и опор фильтровальных плит. По сравнению с нержавеющей сталью, хотя компоненты из стекловолокна обладают несколько меньшей абсолютной прочностью, их преимущества в анализе экономической эффективности на протяжении всего жизненного цикла зачастую более выражены благодаря таким характеристикам, как отсутствие необходимости в защитном покрытии, устойчивость к электрохимической коррозии и чрезвычайно низкие эксплуатационные расходы.
Морская инженерия предъявляет более строгие требования к устойчивости к воздействию окружающей среды и погодных условий по сравнению с наземной химической инженерией. Стеклопластиковые профили, полученные методом пропитки и вытяжки, не только устойчивы к коррозии морской водой, но и обладают антиобрастанием и низкой магнитной проницаемостью, что делает их пригодными для маркеров идентификации морского дна, береговых сооружений для швартовки судов и опорных конструкций градирен. В сценариях добычи нефти и газа в глубоководных условиях трубы, устойчивые к высокому давлению и произведённые с использованием технологии двухслойных композитных форм, достигли уровня стойкости к коррозии C5 и выше, что позволяет им эксплуатироваться на глубинах до 4000 метров. Плавучие модули «сэндвич»-конструкции с ячеистым заполнением сохраняют прочность на сжатие на уровне 15 МПа и позволяют снизить затраты на техническое обслуживание примерно на 60 % по сравнению с решениями на основе стальных конструкций.
IV. Транспорт и транспортное машиностроение. Облегчение конструкции автомобилей является ключевым направлением достижения энергосбережения, сокращения выбросов и увеличения запаса хода. Доля стекловолоконных профилей, полученных методом пропитки и вытяжки (pultrusion), в этой области быстро растёт. В новых энергетических транспортных средствах кронштейны для аккумуляторных блоков с неправильным поперечным сечением позволяют снизить общую массу автомобиля на 23 кг и повысить поглощение энергии при столкновении на 50 %. Это обусловлено тем, что при пропитке и вытяжке (pultrusion) непрерывные волокна могут быть направленно упорядочены вдоль направления приложения напряжений в процессе формования, что обеспечивает более высокие значения удельной жёсткости и удельного поглощения энергии по сравнению с традиционными деталями, полученными литьём под давлением или штамповкой из металла.
Помимо рам аккумуляторных блоков, важными областями применения профилей, полученных методом пропитки и вытяжки (пултрузии), являются также бамперные балки, противоударные балки, балки пола и другие конструктивные элементы кузова. Профили, полученные методом пултрузии и армированные гибридной эпоксидной смолой с добавлением углеродного и/или стекловолокна, обеспечивают поэтапное повышение эксплуатационных характеристик при сохранении контролируемых затрат. Эксперты отрасли прогнозируют, что с дальнейшим ростом доли новых энергетических транспортных средств (NEV) масса композитных материалов, полученных методом пултрузии, используемых в одном транспортном средстве, возрастёт с нынешних десятков килограммов до сотен килограммов.
Сектор железнодорожного транспорта также обращает внимание на потенциал применения данного материала. Профили, полученные методом пултрузии, могут использоваться в качестве каркасов сидений, багажных полок и опор для оборудования в интерьере поездов. Их низкая плотность, регулируемый класс огнестойкости и контролируемая токсичность дымовых газов позволяют соответствовать строгим требованиям пожарной безопасности, предъявляемым к железнодорожным транспортным средствам.
V. Охрана окружающей среды и городское строительство. В областях городского строительства и объектов охраны окружающей среды широко используются безобслуживаемые характеристики стеклопластиковых профилей, полученных методом пропитки и вытяжки. В агрессивных средах, таких как очистные сооружения, полигоны твердых бытовых отходов и установки опреснения морской воды, решетчатые настилы, ограждения и лестницы из профилей, полученных методом пропитки и вытяжки, стали стандартным оборудованием. По сравнению с древесиной стеклопластик не подвержен гниению и не поражается насекомыми; по сравнению со сталью он не требует регулярного нанесения антикоррозионных покрытий.
В автомобильных перевозках по магистральным дорогам стеклопластиковые выдавливаемые профили могут использоваться для изготовления дорожных ограждений, опор дорожных знаков и несущих рам звукопоглощающих экранов. Эти наружные сооружения в течение длительного времени подвергаются воздействию солнечного света, дождя, выхлопных газов транспортных средств и противогололёдной соли; длительный срок службы композитных материалов значительно снижает эксплуатационную нагрузку на операторов автодорог. Кроме того, магнитная проницаемость стеклопластика предотвращает электромагнитные помехи в работе оборудования дорожных светофоров — это особенно ценный параметр на участках с плотно размещёнными системами электронной взимания платы за проезд.
Выдавливаемые профили также находят применение в сельскохозяйственных объектах и горнодобывающей отрасли. Их устойчивость к химической коррозии почвы делает их пригодными для опорных конструкций систем орошения, элементов крепления подземных выработок и каркасов зданий в средах, содержащих агрессивные газы (например, на животноводческих фермах).
VI. Перспективные направления и будущие перспективы
По мере углубления совместных инноваций в области материалов, технологических процессов и конструкции границы применения стеклопластиковых профилей, полученных методом пропитки и вытяжки (pultrusion), расширяются в сегмент высокотехнологичного производства. В аэрокосмической отрасли композиционные материалы, полученные методом пропитки и вытяжки, уже используются в конструкциях второстепенных несущих элементов — например, в силовых элементах планера беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и в опорных компонентах внутренней отделки кабин. В области гибкой электроники профили, полученные методом пропитки и вытяжки, благодаря композитам с проводящими функциональными наполнителями, могут применяться в качестве интегрированных конструкционно-функциональных носителей, объединяющих функции датчиков, теплопроводности или электромагнитной экранировки.
Особого внимания заслуживает роль «зеленых» производственных технологий в стимулировании применения и внедрения композитных материалов. Процессы отверждения при низких температурах позволили снизить энергопотребление при пропиточном формовании до 2,3 кВт·ч/м² — на 42 % по сравнению с показателем 2022 года; технологии дробления и переработки отходов обеспечивают уровень вторичной переработки стекловолокна на уровне 95 %, что снижает себестоимость производства профиля на тонну на 1200 юаней. Эти технологические достижения меняют традиционное представление о материалах на основе стекловолокна как о «трудноперерабатываемых», устраняя препятствия для их дальнейшего применения в отраслях, чрезвычайно чувствительных к углеродному следу, таких как автомобилестроение и строительство.
С точки зрения объема рынка мировой рынок композитных материалов из стекловолокна, получаемых методом пропитки и вытяжки (pultrusion), к 2030 году, по прогнозам, превысит 21 млрд долларов США. Будучи крупнейшим в мире производителем и потребителем композитных материалов, Китай продолжает инвестировать в оборудование для новых источников энергии, энергоэффективные здания и железнодорожные перевозки, что обеспечит мощный импульс роста для профильных изделий, получаемых методом пропитки и вытяжки. Можно предположить, что с повышением зрелости технологий проектирования интеллектуальных форм, биоосновных смолистых систем и цифровых двойников на основе платформ моделирования изделия из стеклопластика (FRP), специальные профили, получаемые методом пропитки и вытяжки, продемонстрируют незаменимую ценность в более широком спектре областей применения.
Горячие новости
EN
