Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. Т
.pdfКоэффициент конвективного теплообмена можно опр~де
лить из зависимости
. ')"
0 |
(6.17) |
CGк=NU- , |
l
где 'An-коэффициент теплопроводности воздуха; l - опре деляющий геометрический параметр (принимаем 1=0,2 м высота образца). Критерий Нуссельта для ламинарного ре
жима |
обтекания |
вертикальной поверхности |
записывается в |
виде |
[163] |
· |
|
|
|
Nu = 0,76 (Gr· Pr)0 .2s. |
(6.18) |
Для рассматриваемого случая Gr=3·106 , Pr=0,7, тогда Nu= =91,5 и ан=12,6 Вт/(м2 ·К).
Количество тепла, теряемое нагреваемой поверхностью из
лучением, можно оценить из выражения
(6.19)
где С0=5,67 Вт/ (м2 • К4 ) -коэффициент излучения абсолютно
черного тела; е0=0,15- степень черноты воздуха; епсте
пень черноты поверхности образца, накрытой слоем полимера
(полагаем еп=0,8).
Принимая среднюю продолжительность нагрева образцов (б=0,7 мм), покрытых слоем полимера, лампами КГ-220/1000
равной 27, 5 с, а паиелью темного излучения- 79 с, получаем величины теплопотерь 2,5 и 7,1 кДж соответственно. Для об
разцов (б=S,О мм) такие оценки дают величины теплопотерь 15,4 и 50 кДж соответственно.
Таким образом, |
для рассматриваемого |
случая |
(тонкИй |
||
с.rюй дисперсного |
полимера |
на поверхности |
твердого тела) |
||
~1ффективность |
инфракрасного |
нагрева высока и возрастает |
|||
с увеличением |
плотности потока излучения. При |
равенстве |
тепловых потоков предпочтение следует отдавать источникам
темного излучения, эффективность которых (с учетом тепло
потерь) превышает светлые источники на j2 ...25%.
6.4. ВЛИЯНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСПЛАВА
НА РАВНОМЕРНОСТЬ ТОЛЩИНЫ ПОЛИМЕРНОГО CЛOSI
Качество полимерных покрытий во многом зависит от равно
толщинности полимерного слоя на различных участках поверх
ности изделия. В ряде случаев отклонение по толщине покры
тня должно быть минимальным, чтобы исключить последую
щую механическую обработку. Одним из факторов, влияющих
на равномерность распределения толщины слоя покрытия, яв-
181
ляется пластическое течение расплава полимера под действи
ем массовых сил.
В качестве модельной схемы представим себе плоскую вер тикальную поверхность, покрытую слоем поJJимера толщиной
б, находящуюся при температуре, превышающей температуру
плавления полимера. Температура расплава полимера посто
янна по толщине всего слоя. Рассмотрим движение слоя рас плава вдоль плоской поверхности. Принимаем, что ось Х рас положена в плоскости поверхности и направлена вниз, ось У направлена перпендикулярно поверхности. Дифференциаль
ное уравнение движения расплава под действием массовых
сил имеет вид
d~:...,} = - pg cos а, |
(6.20) |
где -rx- касательные напряжения, действующие в направле
нии оси Х; у- текущая координата; р- плотность расплава: g -гравитационное ускорение. CиJJY инерции, связанную с
движением расплава, как величину малую не учитываем.
Интегрирование уравнения (6.20) с использованием гра
Iшчного условия, что на поверхности раздела фаз расплав
О[(ружающая среда касательные напряжения равны нулю, т. е.
при у=б -rx=O, дает выражение
'rx = pg (б- у) cos а. |
(6.21) |
При движении .жидкости, вызываемой силой тяжести, реали зуются скорости сдвига порядка 0,1 ... 1,0 с-1 [318]. Логариф
мические кривые течения расплавов полимеров в данном ин
тервале скоростей сдвига являются прямыми линиями [ 137, 155, 201, 304, 347]. Следовательно, ШJ этом участке кривую
1ечения расплава полимера можно описать степенным реоло
гическим уравнением состояния Оствальда-де Виля:
'rx=kl ~; ,n-1 ~~ |
(6.22) |
где k и n - реологические параметры расплава. В том случае,
когда начало координат находится на поверхности раздела
фаз расплав-твердое тело, уравнение (6.22) имеет вид
(6.23)
Приравняв (6.21) и (6.23), после некоторых преобразованиii
получим дифференциальное уравнение, описывающее распре
деление скорости течения расплава по толщине полимерного
слоя:
k( d; ) = pg (б- у) cos а. |
(6.24) |
|
dv |
n |
|
182
После интегрирования и определения постоянной интегриро вания из граничного условия (при у=О Vx=O) получаем вы
ражение
V:x= n~1 ( |
р: )1/n[l}<п+IJ/n_(lJ-y)<n+IJ/n]. |
(6.25) |
|||
Уравнение сплои1ности потока запишем в виде [319] |
|
||||
- ~ - |
_!!:____ ~~v d - |
dQ dB |
(6.26) |
||
d-т: |
- |
dl · |
х у - |
dB dl ' |
|
о
где l - путь, проходимый расплавом за время т; Q- расход
расплава через сечение полимерного слоя, отнесенный к еди
нице его ширины:
11 |
n |
\ 1/n |
|
Q = JV:xdy = |
2n + 1 |
( Р: } б(2n+ll/n, |
(6.27) |
Используя (6.27), выражение (6.26) можно представить в виде
_ dB = |
Г ( pg ) l/n б<n+l)/n |
J dб |
(6.28) |
|
dт |
l |
k |
dl |
|
Тогда путь, проходимый расплавом за время т, находится из формулы
[ = _ ( Р: )l/nl)<n+ll/n т+ С. |
(6.29) |
Определив постоянную интегрирования при помощи гранич ного условия 6(0, т) =0, получим
[ = ( Р:)l/n б<n+IJ/nт. |
(6.30) |
Участвующий в движении объем расплава полимерного слоя,
отнесенный к единице его ширины, заключен между кривой
распределения скорости течения Vx и осью У. Он может быть
представлен выражением
V = J~ldy =! ( р:)l/n l)<n+ll/n -rdy = ( р:)l/n lj(2n+llln.-.
(6.31)
С другой стороны, движение расплава приводит к перераспре
делению массы материала в различных сечениях полимерного
слоя. Это изменение охватывает объем материала
(6.32)
183
где Llбнеравномерность |
(разнотолщинность) |
покрытия на |
|||
базовой длине Х. |
|
|
|
|
|
Приняв (6.31) и |
(6.32), |
после преобразований получим |
|||
|
2 ('L g) 1/n l)(2n+IJ/n 't |
|
|
||
Llб |
= |
k |
х |
.. |
(6.33) |
Экспериментальную проверку полученной зависимости выпол няли для полипропилена марки ПП-4 при температуре 523 К. Реологические параметры (k=338,8 Н/(см2 -с-1 ) и n=0,53) были определены из кривой течения расплава полипропилена,
взятой из работы [137].
В качестве плоской поверхности использовали пластину из
алюминия |
(размеры 150Х50Х 10 мм). |
На поверхность образ |
ца через |
сито по трафарету насыпали |
дисперсный материал, |
пластина помещалась в термостат строго горизонтально. Пос ·'Iе расплавления слоя полимера и выдержки образца при по
стоянной температуре в течение 1 ч пластина устанавливалась вертикально. Через некоторое время течение материала по крытия прекращали, погружая образец в холодную воду. Не равномерность полимерного слоя оценивалась на базовой
длине Х =20 мм микрометром.
Экспериментальные данные и расчетные зависимости по
неравномерности полимерного слоя на вертикальной поверх Iюсти, вызываемой вязким течением расплава под действием силы тяжести, приведены на рис. 6.11. Наблюдаемый разброс экспериментальных точек обусловлен волнистостью полимер
ного слоя и некоторым нарушением термического режима во
время эксперимента (в момент установки образца в верти
калыюе положение происходило кратковременое понижение
температуры термостата).
Удовлетворительное согласование данных расчета и экспе
римента |
подтверждает возможность использования степен- |
t.б мкм |
Llб мкм |
, а |
5 |
Рпс. 6.11. Влияние исходной
толщины расnлава ПП (а) при
т= 1,8 кс и времени выдержки образца в веrнш<альном поло
жении (б) при 6=1,0 мм на
неравномерность полимерного
слоя: 1 -эксnеримент; 2 -
расчет
184
нога реологического уравнения для описания течения тонких
слоев расплава под действием массовых сил, а соотношение (6.33) позволяет проводить оценку возможной неравномерно сти слоя полимера на поверхностях изделий, покрываемых любым способом. Если поверхность расположена под углом а к вертикали, то вместо g во все соотношения войдет вели чина g cos а. Расчетная формула принимает вид
6.б = 2-с ( pg c~s а)1/11 <')(211+1 )/11 х-1. |
(6.34) |
Таким образом, специфика тепломассаобменных процессов
при формировании и поведении полимерного слоя на твердых
поверхностях проявляется прежде всего в характере взаимо
действия дисперсного материала и теплового потока и в из
менении свойств поверхности твердого тела, покрытой слоем
полимера. Увеличение количества полимерного материала на
-твердой поверхности существенным образом сказывается на радиационных свойствах системы, что приводит к интенсификации лучистой составляющей сложного теплообмена, но мо жет вызывать течение расплава под действием массовых сил.
Учет специфики протекания тепломассаобменных процессов
·позволяет совершенствовать технологию и качество полимер
ных покрытий.
Глава 7
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ КМП
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО О&ОРУДОВАНИЯ
Улучшение методов получения КМП и технологического обо
рудования осуществляется в двух основных направлениях.
Первое направлениеповышение качества КМП и произ
водительности процесса без внесения серьезных конструктив
ных изменений в базовое технологическое оборудование. Ка чество КМП и производительность процесса связаны с основ
ными характеристиками полимерного слоя на подложкеего
массой (толщиной) и равнотолщинностью, во многом опреде ляющими эксплуатационные свойства изделий и функцио
нальные возможности полимерного слоя. С этими же харак
теристиками связана и производительность процесса, по
СI<Ольку она, как правило, характеризуется интенсивностыd
образования полимерного слоя, т. е. его массой, отнесенной
ко времени нанесения. Эффективность различных методов по лучения КМП зависит от их возможностей по регулированию
основных характеристик полимерного слоя.
Второе направлениесоздание специализированных уста
новок для получения КМП, а также модернизация базовых
вариантов технологического оборудования, на которых осу
ществляется реализация основных методов получения КМП. При этом конечной целью создания новых установок или мо дернизации известных является повышение качества КМП и
производительности процесса по сравнению с базовыми ва
риантами.
7.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА КМП
Упрощенная оперативная оценка J{ачества КМП, как правило,
состоит в определении толщины, равнотолщинности, внешне
го вида, а также при необходимости таких эксплуатационных
характеристик, как электрическая прочность или пористость
(для покрытий в зависимости от их назначения), и в анализе
концентрации компонентов, их стабильности и равномерности
их распределения в объеме препрега (для композиционных
материалов).
Приемлемый уровень качества КМП задается назначением изделий и требованиями к полимерному слою, которые могут
186
изменяться в очень широких пределах. В частности, если для
пазовой изоляции некоторых магнитоправадов разброс по тол
щине может достигать 50% [46], то для препрегов КМ кон
струкционного назначения он не должен превышать 2...5% [92, 356]. В отдельных случаях (например, в узлах трения
машин и механизмов) качество поверхности при нанесении
полимерного слоя традиционными путями оказывается недо
статочным, что вынуждает использовать механическую обра
ботку [15].
Основная группа средств оптимизации процесса псевдо
ожижсния и связанных с ним методов получения КМП бази
руется на сочетании различных вариантов вихревого и вибра
ционного воздействия на псевдоожиженный слой, а также
струйных методов нанесения дисперсных полимеров. Законо
мерности этих процессов рассмотрены в соответствующих па
раграфах, однако имеются примеры, когда известные эффек
ты дают неожиданные результаты.
Как отмсчалось, псевдоожижение как метод нанесения по
лимерного слоя можно использовать только при предвари
тельном нагреве подложi<И. Исключение составляют волокни
стые наполнители в виде жгутов, объем которых при погру
жении в псевдоожиженный слой многократно увеличивается под действием гидродинамических и электрических сил. Это
сопровождается проникновением заряженных за счет статиче
ской электризации частиц в объем такого жгута и их фикса
цией в результате электростатического взаимодействия ком
понентов.
Выбор параметров вибрации в процессе получения КМП в
целом и оптимизация ее воздействия на псевдоожиженный слой в частности не ограничиваются выбором оптимальных значений частоты и амплитуды вибрации газораспредели тельной решетки камеры псевдоожижения.
В базовом варианте вибровихревого пссвдоожижения виб рация обычно осуществляется в вертикальной плоскости, что в большинстве случаев позволяет добиться качественного псевдоожижения. Вместе с тем вертикальная вибрация не спасает от каналообразования в псевдоожиженных слоях пло хо сыпучих порошков. Разрушению каналов и улучшению процесса псевдоожижения может способствовать горизонталь ная вибрация. Наиболее благоприятные результаты достига ются при наложении колебаний в горизонтальной и верти кальной плоскостях, что обусловливает качественное псевдо
ожижение порошков, переработка которых траДиционнымИ' методами затруднена [15].
Улучшения результатов можно добиться, подобрав опти
мальные значения частоты и амплитуды вибрации в различ ных плоскостях. Нередки случаи, когда сочетают различные методы возбуждения вибрации. В частности, в тех случаях,
187
когда по тем или иным причинам невозможно использовать.
вертикальную вибрацию, создаваемую механическим путем
(например, с помощью упомянутых электромагнитных вибра торов), применяют пневмовибрацию. Она состоит в пульсации
с заданной частотой воздуха, подаваемого в качестве псевдо
ожижающего агента в камеру наддува. Возможны и другие
варианты, например когда пульсирующий воздух подается
через пористые сте.нки в камеру псевдоожижения [94].
Как uтмечалось, наиболее высокий уровень физико-меха
нических свойств полимерного покрытия достигается при ис
пользовании псевдоожиженных слоев максимально допусти
мой плотности. Вместе с тем в таких слоях невозможно полу
чить равнотолщииные покрытия, особенно на изделиях слож ной конфигурации. Разрешить это противоречие можно с ис
пользованием метода вибрационного уплотнения [ 15]. Его
сущность состоит в регулировании шютности псевдоожижен
ного слоя в процессе нанесения полимерного покрытия. На гретое изделие опускают в псевдоожиженный слой с опти
маJiьным коэффициентом его расширения, создаваемый вибро
вихревым воздействием, а затем прекращают подачу псевдо
ожижающего агента. Этот прием способствует быстрому
уплотнению псевдоожиженного слоя и обусловливает хоро
шие условия для контакта полимера со всеми частями изде
лия независимо от его конфигурации.
Вибрационное воздействие на псевдоожиженный слой мо
жет осуществля'rься различными 'приемами: с помощью виб рации газораспределительной решетки; путем вибрации всей
камеры псевдоожижения или толыю ее стенок; с помощью
вибрации других вспомогательных элементов, расположенных
в камере псевдоожижения (например, ворошителей различно го типа, способствующих устранению каналообразования или залежей порошка в различных зонах камеры) [ 15, 46].
Существенную роль в обеспечении I<ачества покрытий
играет вибрация при ее воздействии на ПОI<рываемое изделие или наполнитель. В первом случае она служит для удаления
излишков порошка и повышения равнотолщинности покрытий;
во втором способствует более равномерному распределению частиц в объеме наполнителя при ее подаче на направляющие ролики [338].
Возможности вибровихревого псевдоожижения существен
но расширяются, если использовать технологические и другие
r1риемы, св5!занные с регулированием параметров псевдоожи
жающего агента. Так, наряду с необходимостью правильного
выбора режимов подачи псевдоожижающего агента значи
тельную роль могут играть его природа и температура. В част
ности, замена псевдоожижаюшего аг~нта воздуха на азот спо
собствует улучшению псевдоожижения ряда гидрофильных
полимеров, что можно связать с изменением влажности по-
188
рошка в процессе его псевдоожижения и с изменением усло
вий реализации эффектов статической электризации. С этой
же точки зрения можно объяснить и влияние температуры
псевдоожижающего агента на параметры псевдоожижения
гидрофильных полимеров.
Значительное воздействие на характер и особенности псев
доожижения оказывает гидродинамическое сопротивление га
зораспределительной решетки. Следует отметить, что только правильный выбор материала и характеристик газораспреде лительной решетки обусловливает качественное псевдоожи
жение и возможности регулирования параметров псевдоожи
женного слоя. Если же материал выбран неправильно, то до
биться качественного псевдоожижения затруднительно или
же приходится работать с большими потерями порошка в ре
жиме уноса. Но даже в случае правильно подобранного мате
риала решетки имеется возможность регулирования плотности
псевдоожиженного слоя (rюэффициента расширения слоя) в
довольно ограниченных пределах. Значительно большего мож но добиться, если подбирать еще и конструкцию решетки.
Одним из вариантов является использование решетки в ви де усеченного перевернутого конуса [262]. В этом случае
псевдоожижение происходит в середине камеры псевдоожи
жения, а ее периферийные части служат своего рода питате
лем. Известны конструкции камеры псевдоожижения [46],
решетки которой располагались под углом ко дну камеры
наддува. За счет этого в камере создавались зоны с различной
плотностыо псевдоожиженного слоя, обеспечивающие различ
ный режим нанесения полимерного слоя. Можно отметить,
что подобные камеры могут служить своего рода анализато
рами для оперативного выбора параметров псевдоожижения.
Имеются конструкции решеток, которые по своему назначе
нию не только распределяют газовый поток в камеру псевдо
ожижения, но и перераспределяют его, улучшая псевдоожи
жение [15, 46]. Выбор системы реш~ток, где наряду с распре
делительными используют и перераспределительные, несущие
вспомогательные функции, позволяет добиться той же цели
обеспечить качественное псевдоожижение.
Значительного расширения возможностей по регулирова
нию характеристик псевдоожиженного слоя можно добиться
за счет снабжения распределительной решетки, выполненной
из отдельных секций, полыми камерами [278]. Их располага
ют между секциями, и при помощи отверстий они сообщаются
с камерой наддува. Этот прием позволяет использовать непо
средственно в псевдоожиженном слое эффект струйного об
дува изделий потоками, плотность которых отличается от
плотности псевдоожиженного слоя. Подобную задачу можно
также решить при оснащении камеры псевдоожижения до
полнительными камерами наддува, пористые перегородки ко-
189
торых образуют с другими элементами камеры псевдоожиже
ния щелевые сопла [279].
С целью устранения влияния краевых (пристенных) эффек
тов на равномерность псевдоожижения и качество покрытий
на длинномерном изделии в работе [285] предложено ограни чивать зону псевдоожиженного слоя барьерами из некипяще го слоя порошка полимера. Псевдоожиженный слой является
универсальным питателем, посколы<у его плотность позволяет
транспортироnать воздушно-пороlliковый поток из камеры
псевдоожижения различными методами. Снабжение камеры
псевдоожижения струйным распылителем значительно расши
ряет технологические возможности подобных установок. Од
ним из характерных примеров является разработанная в
ИММС АН Беларуси установка типа КИМС-223 [94], схема которой приведена на рис. 7.1. С ее помощью можно наносить
покрытия на крупногабаритные изделия сложной конфигура
ции, сочетая окунание в псевдоожиженный слой и струйное напыление. Для этого установка, содержащая камеру псевдо ожижения, снабжается дополнительно эжектором довольно простой конструкции, что значительно· расширяет технологи
ческие возможности этого метода.
Струйное напыление как самостоятельный метод получе ния КМП практически не применяется. Но в сочетании с дру
гими методами или модификациями самого струйного пpouer.ca
оно довольно широко распространено. В этих сочетаниях ис
пользуется основное преимущества струйного напыления
возможность нанесения полимерных частиц на труднодоступ
ные участки изделий, что связано с отсутствием внешнего
Рис. 7.1. Схема установки КИМС·
|
223: 1 - покрываемое |
|
изделие; |
~~~:;;~=~~ lf |
2 - рабочая камера с псевдо- |
||
1~ |
ожиженным полимером; |
3 - по- |
|
5 |
ристая перегородка; 4 - электро- |
||
|
магнитиый вибратор; 5 - система |
||
|
влагоотделения; б- стойка; 7 - |
||
|
эжсюорная снстема; |
8 - писто |
лет-распылитель
190