Пултрузия (от — «тянуть» и extrusion — «экструзия») — непрерывный технологический процесс изготовления длинномерных изделий из полимерных композиционных материалов с постоянным поперечным сечением. Армирующие волокнистые материалы пропитываются полимерным связующим, формируются и протягиваются через нагреваемую фильеру, в которой материал приобретает заданное поперечное сечение и происходит отверждение полимерной матрицы.
В отличие от экструзии, при которой формуемый материал продавливается через инструмент, при пултрузии движение заготовки обеспечивается расположенным после фильеры тянущим устройством.
Метод применяется для изготовления стержней, полос, труб, уголков, швеллеров, двутавров, коробчатых и иных профилей с неизменным по длине поперечным сечением. В России конструкционные пултрузионные профили из полимерных композитов выделены в самостоятельную категорию продукции ГОСТ 33344-2015.
Технологический процесс
Классическая пултрузия представляет собой последовательный непрерывный процесс от подачи армирующих материалов до резки готового профиля.
Основные технологические стадии включают:
Подачу армирующих материалов. Непрерывные волокна, ровинги, жгуты, ткани или маты разматываются со шпулярника и через направляющие устройства подаются в технологическую линию. Пропитку связующим. Армирующий материал насыщается жидким полимерным связующим в пропиточной ванне либо в закрытом пропиточном устройстве. Предварительное формование. Волокнистый пакет ориентируется и постепенно приобретает форму, близкую к форме готового профиля; одновременно удаляется избыток связующего. Формование и отверждение. Пропитанный материал поступает в нагреваемую фильеру постоянного сечения, где окончательно формируется геометрия изделия и происходит отверждение полимерной матрицы. Протягивание. Отверждённый профиль непрерывно перемещается тянущим механизмом. Резку. Готовый профиль разрезается на отрезки необходимой длины.
При классической схеме с термореактивным связующим процесс отверждения протекает непосредственно в нагреваемой фильере. Температура и длина формующей зоны, скорость протягивания и состав связующего взаимосвязаны и определяют степень отверждения получаемого изделия.
Существуют схемы с открытой пропиточной ванной и с подачей связующего непосредственно в закрытую зону формирования. Последняя позволяет точнее контролировать положение волокон и уменьшать контакт жидкого связующего с окружающей средой.
Пултрузионное оборудование
Промышленная пултрузионная линия обычно включает:
шпулярник для бобин с ровингом и другими армирующими материалами; направляющие устройства; пропиточную ванну или закрытый узел пропитки; устройства предварительного формования; нагреваемую формующую фильеру; тянущее устройство; узел автоматической резки; систему управления температурой и скоростью процесса.
Формующая фильера является одним из основных элементов технологической оснастки. Её внутреннее сечение определяет наружную геометрию готового профиля, а система нагрева обеспечивает необходимый температурный режим полимеризации или отверждения связующего.
Тянущие устройства выполняются, в частности, в виде гусеничных механизмов либо попеременно работающих захватов. Их задача — создавать непрерывное усилие, перемещающее армирующий материал и готовый профиль через фильеру.
Исходные материалы
Армирующие волокна
В пултрузионных композитах используют прежде всего непрерывные армирующие волокна. Наиболее распространено стекловолокно; применяются также углеродные, базальтовые, арамидные и другие волокнистые материалы.
Армирование может включать:
непрерывный ровинг; однонаправленные жгуты; тканые материалы; мультиаксиальные полотна; непрерывные и рубленые маты.
Большая часть непрерывного ровинга обычно ориентируется вдоль продольной оси изделия. Дополнительные маты и ткани позволяют увеличивать долю армирования в поперечном направлении и улучшать свойства стенок и полок профиля.
Полимерная матрица
При традиционной пултрузии применяются преимущественно термореактивные полимерные связующие: ненасыщенные полиэфирные, винилэфирные, эпоксидные и фенольные системы.
Полимерная матрица связывает волокна в единый материал, передаёт между ними нагрузки, формирует поверхность изделия и защищает армирование от воздействия внешней среды.
Возможна также пултрузия с использованием термопластичных матриц, однако технология их пропитки и формования отличается из-за высокой вязкости расплавов термопластов.
Пултрузионные изделия
Главным геометрическим условием классического процесса является постоянство поперечного сечения изделия по длине. Благодаря этому методом пултрузии выпускаются как простые сплошные элементы, так и сравнительно сложные открытые и замкнутые профили.
Типичная продукция включает:
круглые и прямоугольные стержни; полосы и пластины; круглые и прямоугольные трубы; уголки; швеллеры; двутавры; тавровые профили; коробчатые профили; специальные профильные изделия.
ГОСТ 33344-2015 распространяется на конструкционные пултрузионные профили из полимерных композитов и устанавливает требования к продукции и методам её испытаний.
Открытые профили — например, швеллеры, уголки и двутавры — по форме напоминают соответствующие виды металлического проката. При этом материал профиля представляет собой волокнистый полимерный композит, а направление основных непрерывных волокон преимущественно совпадает с продольной осью изделия.
Такое строение обусловливает выраженную анизотропию: прочность и жёсткость профиля вдоль основного направления армирования отличаются от характеристик в поперечном направлении.
Форма и толщина отдельных стенок профиля задаются конструкцией фильеры. Производственная оснастка позволяет серийно получать изделия с повторяемым сечением большой длины, после чего непрерывный профиль нарезается на требуемые транспортные или проектные размеры.
Геометрическая точность и внешний вид
Для конструкционных пултрузионных профилей существенны не только механические характеристики материала, но и точность геометрии.
ГОСТ Р 57801-2017 устанавливает допуски для стеклокомпозитных пултрузионных профилей. Нормируются, в частности:
наружные размеры поперечного сечения; толщина стенок; длина; отклонение от прямолинейности; кручение; отклонение от плоскостности.
ГОСТ Р 57801-2017 является модифицированным по отношению к ASTM D3917-15a — американскому стандарту на размерные допуски пултрузионных изделий из стеклоармированных термореактивных пластмасс.
Требования к внешнему виду устанавливает ГОСТ Р 57791-2017. Стандарт предусматривает визуальный контроль поверхности и разделяет дефекты на допустимые, устраняемые и недопустимые.
Качество профиля зависит от равномерности распределения волокон, полноты пропитки, температурного режима отверждения, скорости протягивания, состояния формующей поверхности и стабильности технологического процесса.
Свойства пултрузионных профилей
Свойства профиля определяются сочетанием типа волокна, полимерной матрицы, доли армирующего материала и его ориентации.
Для стеклокомпозитных конструкционных профилей характерна существенно более высокая продольная жёсткость и прочность по сравнению с поперечным направлением. Например, ОДМ 218.2.058-2019 приводит для ряда стеклокомпозитных профилей разные значения сопротивлений при продольном и поперечном растяжении, сжатии и изгибе.
Поэтому такие профили при расчёте нельзя рассматривать как изотропный материал, подобный конструкционной стали. Направление волокон и способ формирования стенок должны учитываться при определении несущей способности, жёсткости и соединений.
К особенностям конструкционных полимерных композитов относятся также отсутствие электрохимической коррозии, сравнительно низкая плотность и возможность подбора полимерной матрицы под заданные условия эксплуатации. При этом расчёт должен учитывать длительное действие нагрузки, температуру, влажность, ультрафиолетовое и химическое воздействие.
Механическая обработка и соединения
После изготовления пултрузионные профили могут подвергаться резке, сверлению и другой механической обработке.
Для конструкций пешеходных мостов СП 46.13330.2012 допускает обработку пултрузионных профилей обточкой, фрезерованием, распилом и сверлением при условии отсутствия трещин и сколов.
Сборные конструкции из профилей могут соединяться болтами, металлическими фасонками и накладками, а также клеевыми или комбинированными соединениями в зависимости от назначения конструкции.
В местах болтовых соединений учитывается ослабление сечения отверстиями и особенности передачи сосредоточенной нагрузки на анизотропный композит.
Применение
Пултрузионные изделия применяют там, где требуется серийное получение длинномерных элементов постоянного поперечного сечения.
К областям применения относятся:
строительство и промышленная инфраструктура; мостовые и дорожные сооружения; перильные и ограждающие конструкции; лестницы и технологические площадки; кабельные и электротехнические конструкции; элементы градирен и очистных сооружений; химические производства; транспорт; энергетика.
Строительные конструкции
Пултрузионные профили могут применяться как элементы балок, ферм, рам, настилов, площадок, лестниц и ограждений.
В нормативной практике России конструкционные пултрузионные профили рассматриваются как самостоятельный вид изделий из полимерных композитов.
Для сооружений из таких профилей существенное значение имеют расчёт продольной и поперечной жёсткости, соединения, устойчивость элементов, ползучесть материала и изменение характеристик при воздействии среды.
Мосты и пешеходные переходы
В транспортном строительстве пултрузионные профили применяют как в несущих конструкциях, так и в элементах обустройства мостов и пешеходных сооружений.
ОДМ 218.2.058-2019 предусматривает использование композитных профилей с сечениями в виде двутавров, швеллеров, уголков, прямоугольных и круглых труб в фермах пешеходных мостов, а также применение профилей в перильных ограждениях.
В приложениях документа приведены типовые размеры пултрузионных профилей и физико-механические характеристики стеклокомпозитных элементов, используемых в мостовых конструкциях.
СП 46.13330.2012 содержит отдельное приложение, посвящённое сборке пролётных строений пешеходных мостов из полимерных композитных пултрузионных профилей. Сборка таких конструкций может выполняться из отдельных профилей либо из предварительно укрупнённых блоков.
Пултрузионные профили применяются также в дорожных и пешеходных ограждениях. При этом профиль является исходным конструкционным элементом, из которого собирается готовая секция ограждения.
Для мостовых перил из полимерных композитов ОДМ 218.2.058-2019 устанавливает рекомендации по проектированию, изготовлению, монтажу и стендовым испытаниям.
Применение технологии в России
Пултрузия применяется в российской промышленности для изготовления конструкционных стеклопластиковых профилей различного поперечного сечения, а также изделий и сборных конструкций на их основе.
В научно-технических публикациях описывается применение технологии для производства стеклопластиковых конструкционных профилей, элементов транспортной инфраструктуры и других изделий из полимерных композиционных материалов.
В транспортном строительстве пултрузионные профили рассматриваются в качестве элементов мостовых и пешеходных сооружений, включая несущие и ограждающие конструкции.
Стандартизация
В России непосредственно к пултрузионным профилям относятся несколько национальных и межгосударственных стандартов.
ГОСТ 33344-2015 «Профили пултрузионные конструкционные из полимерных композитов. Общие технические условия» распространяется на конструкционные пултрузионные профили. Стандарт действует с 1 июня 2016 года.
ГОСТ 33344-2015 соответствует европейской серии стандартов EN 13706, включающей обозначение, методы испытаний, общие и специальные требования к пултрузионным профилям.
В 2025 году к ГОСТ 33344-2015 была опубликована поправка.