Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. Т
.pdfдав на поверхности наполнителей, обусловленных их те~ноло гической предысторией. Если исходные локальные заряды (по
абсолютной величине) отличаются не более чем на 5· I0-6 Кл/м2, то устранить их влияние на равнотолщинность препре
гов можно, усилив электростатическое взаимодействие компо
нентов за счет увеличения напряженности внешнего поля до
200...500 кВ/м. На рис. 7.18 представлена схема устройства, в
котором увеличение напряженности в камере псевдоожижения
обеспечивается использованием вспомогательной металличе
ской лентвr, играющей роль осадительного электрода, которую
пропускают между двумя лентами наполнителя.
Если же разница по плотности исходных зарядов превы шает указанную величину, то необходима их нейтрализация,
которую можно осуществить различными путями: коронным
Б
Рис. 7.17. Схема |
установки для |
Рис. |
7.18. |
Схема |
установки |
для |
||
двухстороннего |
электроосаждения |
одностороннего |
электроосаждения |
|||||
свяэу1ощего на |
ленту наполните |
.связующего на две ленты напол |
||||||
ля: 1 - аппарат псевдоожижения; |
нителя: 1 - ленты |
наполнителя; |
||||||
2 - электроды; |
3 - конвейер; |
2 - |
камера наддува; 3 - |
пористая |
||||
4 - термокамера; 5 - барабан с |
перегородка; 4 - |
|
каыера псевдо |
|||||
препрегом; б- прижимные роли |
ожижения; |
5 - электроды; |
б |
|||||
ки; 7 - барабан |
с лентой напол- |
бункер-питатель; 7 - систеыа от |
||||||
нителя |
соса; 8 - камера термообработки; |
|||||||
|
|
9 - вспомогательная |
металличе- |
|||||
|
|
|
|
ская |
лента |
|
|
221
разрядом, у-нейтрализаторами, обработкой поверхности элект
ропроводящими адгезивами и дР-
И, наконец, следует отметить так называемый ротапринт ный метод нанесения, сущность которого состоит в подаче за ряженных частиц на вспомогательную (промежуточную) под ложку с последующим переносом на обрабатываемую под
ложку или наполнитель. Имеются два варианта этого метода,
отличающиеся состоянием переносимого полимера.
Первый заключается в переносе полимера в виде заря женных частиц. В этом случае подложка может представлить собой плоский лист [233], близкий по размерам ленте напол
нителя, или металлический цилиндр, ширина которого соответ
ствует.ширине ленты наполнителя, которая с помощью направ
ляющего ролика приводится в контакт со вспомогательным
цилиндром. Использование дополнительных элеi<тричесюiх полей способствует интенсификации переноса. В послед
нем случае перенос можно осуществлять фрикционным путем
споверхности вспомогательного цилиндра на наполнитель,
причем концентрацию полимера в препреге можно регулиро
вать подбором скоростей вращения контактирующей пары ци
uиндров.
Во втором варианте нанесение частиц в электрическом
поле осуществляют на две металлические ленты, ширина ко
торых соответствует ширине ленты наполнителя, с последую
щей совместной термообработкой системы подложканапол
нительподложка и отслаиванием подложек. Этот метод
эффективен для получения препрегов на основе наполнителя,
имеющего I<рупные поры или редкую сетку.
В отдельную группу следует выделить методы получения
препрегов на основе жгутовых наполнителей, хотя для их реа лизацип подходит (с незначительной модернизацией) специа
лизированное оборудование, используемое для ТI<аных и лен точных наполнителей. Это обусловлено спецификой структуры жгутов. Действительно, для ленточных и особенно для ТI<аных наполнителей, обладающих относительно жесп<ой структурой с фиксированным положением р~зличных элементов, парамет ры совмещения компонентов (состав препрега и его равнотол щинность, характер распределения частиц связующего в объ
еме наполнителя и др.) на стадии получения препрегов можнn
регулировать с помощью электростатического или гидродина
мического воздействия только за счет одного I<ампонента полимерного связующего. В этой связи жгутовые наполните ли, способные благодаря относительно свободному располо жению I\омплексных нитей, не скрепленных утком (как в лен
тах и тканях), изменять форму и объем без ущерба их
свойствам, представляют особый интерес для порошковой тех
нологии препрегов.
Анализ известных технологических схем показывает, что
222
нанесение связующего на жгутовые наполнители целесообраз
но осуществлять по двум вариантам: над псевдоожиженным
слоем (в данном случае на частицы при их переносе на на
полнитель действуют только силы электрического поля) и в
слое (при этом помимо электрических действуют гидродина
мические силы). Особенности структуры жгутов позволяют
эффективно реализовать оба варианта за счет использования
различного исходного состояния жгутов для обеспечения мак
симально возможной площади адгезионного контакта КО!\ШО
нентов.
Эффективность первого варианта зависит от степени изме
нения линейных размеров и формы жгута. Для его реализа ции необходимо предварительно (до совмещения со связую
щим) трансформировать жгут в ленту минимально возможной
толщины, используя механические или пневматические мето
ды. С уменьшением ее толщины возрастает число единичных актов взаимодействия частиц с моноволокнами наполнителя, что сказывается на свойствах материалов. В частности, пере
ход от предварительно нераскатанного углеродного жгута
(типа УКН-П/5000) к жгуту, раскатанному в ленту, сопро
вождается более чем трехкратным увеличением прочности на сжатие материалов, сформированных из упомянутых жгутов.
Во втором варианте при погружении в псевдоожиженный
слой связующего имеет место пространствеиное изменение формы жгута: объем жгута возрастает в несколько раз под действием сил внешнего электрического поля и гидродинами ческих сил, возникающих в псевдоожиженном слое, и способ
ствует внедрению электрозаряженных частиц связующего в
объем наполнителя. Эффективность метода зависит от режи
мов псевдоожижения и параметров внешнего поля.
Сопоставление описанных вариантов совмещения жгутов
с дисперсным связующим показывает, что при оптимальных
параметрах процесса, характерных для каждого из них, и оди наковом составе препрега прочностные характеристики мате риалов, полученных из препрегов, которые изготовлены по различным вариантам, имеют примерно одинаковые показа
тели.
Технико-экономический анализ технологии препрегов на
основе дисперсных связующих (полиэфирэфиркетона, арома тического полиамида и др.) и жгутов (из угле- и стекловоло
I~он), проведенный в работе [367] , показывает, что она имеет
значительные преимущества по сравнению с другими метода
ми совмещения упомянутых компонентов, где связующее при
меняли в виде раствора, эмульсии или суспензии, а также в виде пленки, волокон или из экструдируемого расплава.
223.
7.4. НАНЕСЕНИЕ ПОКРЬIТИЙ НА ИЗДЕЛИЯ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ
Решение задачи регулирования толщины полимерного слоя, а
также других упомянутых выше задач требует учета специ
фиюi обрабатываемого изделия. Характерным примерам реа
лизации возможностей управления свойствами слоя и режи
мами процесса нанесения может служить электроосаждение
дисперсных полимеров на изделия сложной конфигурации.
В данном параграфе мы ограничимся рассмотрением специ
фики процесса нанесения и специализированного оборудова·
ния для получения покрытий на магнитапроводы двигателей
и генераторов. Это обусловлено важностью проблемы элект
рической изоляции в целом и возможностью реализации раз
личных подходов к созданию специализированного оборудо
вания, обусловленного типоразмерами и конфигурацией эле
ментов магнитопроводов.
Магнитолроводы электрических машин малой мощности,
требующие защиты торцовых поверхностей и пазов, относятся
к изделиям особой сложности. По форме паза магнитоправо
ды разделяются на три категории: с открытым, или наруж
ным, пазом, с полузакрытым и закрытым (внутренним).
Для первой категории магнитоправадов (с открытым пазом)
можно использовать различные методы нанесения покрытий.
Если магнитапроводы имеют достаточную теплоемкость и со
храняют свои служебные характеристики после непродолжи
тельного нагрева до температур, превышающих температуру
размягчения или плавления полимера на 40...80 К, то можно многократно погружать магнитапровод (с вертикальным рас положением пазов) в псевдоожиженный слой полимера. До nолнительно изделие подвергают вибрации и перевороту на
180° при каждом последующем погружении. Применяют также
струйный обдув нагретого магнитопровода, который устанав
ливают на оправку и размещают в I<амере, располагая пазы
против сопел, распыляющих частицы. Кроме того, маг
нитоправоды с открытым пазом можно успешно защищать
электрической изоляцией в облаке униполярно заряженных
частиц, которое организуют в закрытой камере, при вращении
магнитоправода вокруг горизонтальной оси [46].
Нанесение покрытий на магнитапроводы с полузакрытым
и закрытым пазом требует специальной оснастки или специа
лизированного оборудования. В частности, в случае магнито
проводов с широким пазом (диаметр более 5 мм и глубина ме
нее 30.. .40 мм) можно эффективно использовать сочетание
электроструйного напыления и нанесения над псевдоожижен ным слоем в электрическом поле. На рис. 7.19 представлена
принципиальная схема установки, позволяющая реализовать
это сочетание. Основными элементами установки являются
224
камера напыления 1, в боковых стенках которой смонтированы распылители 2, и аппарат псевдоожижения б, оснащенный
двумя питателями 5 и электродной системой, состоящей из
нижнего 7 и верхнего 4 электродов.
Достоинством этой установки являются ее широкие техно
логические возможности, позволяющие осуществлять различ
ные варианты нанесения: во-первых, сочетать электроструйное
напыление и нанесение над псевдоожиженным слоем в элект
рическом поле; во-вторьiх, использовать струйное или электро
струйное напыление на предварительно нагретое изделие;
в-третьих, электроосаждать над псевдоожиженным слоем.
Первый вариант осуществляется при подаче потенциала на нижний электрод. В результате в электричесi<аМ поле в меж
элеiпродном пространстве происходит сепарация частиц в
прилегающих к электродам зонам. Посредством питателей эти
Рис. 7.19. Схема установки для нанесения пазовой изоляции элсктро струйным напылением и (или) над псевдоожиженным слоем: 1 - камера напыления; 2 - распылитель; 3 - покрываемое изделие; 4 - электрод
верхний; 5 - питатель; б- камера аппарата псевдоожижения; 7 -
электрод нижний; 8 - пористая перегорощ<а; 9 - камера наддува; 10-
вибратор; 11- источник высокого напряжения
8. Зак. 33 |
225 |
|
частицы переносятся в камеру напыления и осаждаются на
изделии. Для повышения эффективности процесса и электро
статического взаимодействия разноименно заряженных частиц
распылители располагали в камере со смещением их осей так,
чтобы потоки частиц не перекрывали друг друга. Помимо
этого, в камере происходило осаждение частиц над псевдо ожиженным слоем.
В ИММС АН |
Беларуси, |
используя технологическис воз |
||||
|
|
можности описанной универ |
||||
|
|
сальной |
|
установки, |
разра |
|
|
|
ботали |
специализированное |
|||
|
|
оборудование, реализующее |
||||
|
|
электроструйное напыление |
||||
|
|
(с использованием |
псевдо |
|||
|
|
ожиженного слоя в качестве |
||||
" |
|
питателя). |
|
|
|
|
|
Магнитапроводы со срсд- |
|||||
12 |
|
ним пазом |
(диаметр 3...5 мм |
|||
|
|
и глубина до 70 мм) можно |
||||
|
|
успешно |
|
пропылять |
пропу- |
|
|
|
Рис. 7.20. |
Схема |
установrш д.1я |
||
|
|
нанесения пазовой изоляции (про· |
||||
|
|
пусканием через пазы потока за |
||||
|
|
ряженных частиц); 1 -пульт |
||||
|
|
управления; 2 - камера наддува; |
||||
|
|
3 - корпус кам~ры; 4 - камера |
||||
|
|
псевдоожижения; |
5 - крыш1<а; |
|||
|
|
б- клапан; |
7 - задвижка; 8 - |
|||
|
|
насадка; 9 - заглушка; 10- по |
||||
|
|
i{рывасмое |
|
изделие; 11 -камера |
||
|
|
напыления; 12 -электрод |
||||
сканнем потока |
униполярно |
заряженных |
частиц |
через пазы |
магнитопровода. Этот принцип может быть реализован в двух
различных вариантах: при размещении изделия над псевдо
ожиженным слоем и при его погруженни в слой электрозаря
женных частиц.
Первый вариант осуществлен в установке, схема которой
представлена на рис. 7.20; Особенности ее конструкции со
стоят в том, что аппарат напыления включает две камеры:
камеру псевдоожижения 4 и камеру напыления 11, которые сообщаются между собой через прорези в стенках камеры на пыления, прикрепленной к крышке 5, герметично закрываю
щей камеру псевдоожижения. Крышка снабжена клапаном б. На ней коаксиально с камерой напыления укреплена сменная обойма, яляющаяся держателем покрываемых детале.й, в !<о
торой устанавливается статор 10, снабженный вкладышем-
226
заглушкой 9. Обойма и вкладыш являются деталями техно
JIОГИ'Iеской оснастки и изготавливаются для каждого типораз мера статоров.
При полностью открытом клапане осуществляется псевдо
ожижсние полимера, причем уровень псевдоожиженного слоя
в обеих камерах сохраняется одинаковым. При перекрытии
клапана происходит перетекание полимера из камеры псевдо
ожижения в камеру напыления, что сопровождается увеличе
нием в ней нысоты псевдоожиженного слоя. При определенном
расстоянии между статором и верхней границей слоя при по
даче на эJJектрод высоковольтного потенциала в пазы зазем
ленного статора транспортируются и осаждаются там заря
женные частицы полимера, а неиспользованный порашок про
ходит через систему рекуперации.
Для повышения качества покрытий (в частности, их равно
толщинности) целесообразно использовать метод периодичес
кого создания электрического поля между электродом и за
земленным изделием. Этот прием можно реализовать за счет
импульсного включения электрического поля на время, необ
ходимое для переноса заряженных частиц к поверхности из
делия, и его отключения в момент, предшествующий осажде
нию частиц на поверхность [240, 246],. В результате заряжен
ные частицы по инерции за счет запаса кинетической энергии,
приобретенной во внешнем поле, проникают в пазы и равно
мерно распределяются в нем.
Подобного результата можно добиться и периодической
переменой направления электрического поля, если магнито
провод расположить в камере псевдоожижения над псевдо
ожиженным слоем так, чтобы оси пазов бы.'lи параллельны
его поверхности [ 100].
Для реализации второго варианта (окунания изделия в
псевдоожиженный слой заряженных частиц) может быть ис
пользована автоматизированная установка (типа ИМ 141), разработанная в ИММС АН Беларуси [208~. Она состоит из
блоков напыления и оплавления, системы очистки поверхно стей изделий покрытий, станции подготовки воздуха и систе мы рекуперации порошка. Технологический цикл получения пазовой изоляции включает в себя послойное нанесение элект
розаряженных частиц полимера с промежуточным оплавлени
ем каждого слоя и последующей термообработкой покрытия в
целом.
И, наконец, магнитапроводы наиболее сложной конфигу
рации с узким пазом можно качественно пропылить, если ис
пользовать специализированное оборудование, принципы дей
ствин которого основаны на использовании неоднородных
электри•Iесюiх полей с различными градиентами напряжен
ности. На особенностях подхода к решению подобной задачи
остановимся подробнее.
в• |
227 |
На рис. 7.21 представлена принципиальная схема процес
са. Наиболее важным элементом устройства является ЭКJ?аН, к'оторый располагали таким образом, чтобы его поверхность была параллельна плоскости электрода. Над экраном ШJ. определенном расстоянии на заземленной оправке устанавли
вали магнитопровод. При подаче высоi<овольтного потенциа
ла на электрод на нижней части экрана индуцируется заряд
противоположного знака. В процессе электроосаждения заря
ряженные частицы в
первую очередь оседа
ют па экране, ослабляя
напряженность поля в
.пространстве между
ним и эле1продом. При
Рис. 7.21. Принципиальная
схема процесса нанесения
дисперсных полимеров; 1 -
камера пссвдоожнжения;
2 - псевдоожиженный слой;
3 - слой частиц, осевших
на нижнюю поверхность
экрана; 4 - экран; б- по
крытие ЭI<рана; 6 - оправ
ка; 7 - покрывасмос изде-
лие
этом в пространстве между верхней поверхностью экрана
и магнитоправодам напряженность поля возрастает.
В зазор между стенками рабочей камеры и экраном попадают
частицы, имеющие максимальные значения заряда. Часть по тока частиц осаждается на верхней поверхности экрана, уве
личивая плотность индуцированного на ней заряда, а другие
частицы, проходя в зазор между экраном и стенками камеры,
осаждаются в первую очередь на острые кромки и грани,
создавая потенциальный барьер на пути в пазы. Но следую щие частицы движутся ускоренно, обладают достаточной ки нетической энергией и преодолевают этот барьер.
Внутри паза напряженность поля близка к нулю. Однако
так как магнитапровод собран из отдельных тонких пластин,
создающих микро- (и макро-) неровности, то возникает сла
бое несднородное поле, которым нельзя пренебрегать в силу малых размеров паза. Поэтому частицы, попавшие внутрь па
зов под его действием, а также под влиянием электростатиче
ского рассеяния ранее осажденных одноименно заряженных частиц равномерно осаждаются на всех участках поверхности паза.
228
Описанный принцип реализован в установке УПТИ (рис. 7.22), разработанной в ИММС АН Беларуси. Она включает
в себя аппарат напыления, а также другие блоки, обеспе•шва
ющие нагрев и перемещение изделия, рекуперацию порошка
н подготовку воздуха. Отметим, что механизм передвижения
изделия (карусельного типа) осуществляет циклический по
ворот на 30° Это позволило оснастить установку 12 подвеска
ми, на которые крепятся приспособления, удерживающие по
крываемые магнитопра воды и масrшрующие
их внутренние, не под
лежащие покрытию по-
верхности. Аппарат на"
пыления содержит камеру псевдоожижения, установленную на элек-
Рис. 7.22. Схема установки УПТИ для нанесения пазо·
вой изоляции с использова
нием экрана: 1 - камера
псевдоожижения; 2 - ро тор; 3 - подвеска; 4 - по крываемое изделие; 5 - эк ран; б- активатор; 7 - по ристая перегородка; 8 - привод; 9 - вибратор; 10- штуцер подачи газа; 11- загрузочный патрубок; 12-
крышка
12 -r!ШI!Ifi~;~;:~~~~
.Га-3
~ J
тромагнитном вибраторе и оснащенную экраном. Экран уста новлен на одной оси с активатором в виде лопастной мешалки, на который подается высоковольтный потенциал, и электри
чески изолирован от него.
При отработке режимов получения пазовой изоляции на описанной установке было показано, что наиболее сущест
венное влияние на качество покрытий и интенсивность про uесса электроосаждения оказывает потенциал электродной системы. В частности, при подаче на активатор потенциала
ниже 20 кВ процесс электроосаждения протекает медленно: за 10 мин электроосаждения толщина осадков составляет на поверхности пазов 20...25 мкм, на торцовых поверхностях маг нитоправода до 50 мкм. При увеличении потенциала до 30...
35 кВ процесс интенсифицируется, а качество осадков оказы
вается наилучшим: при выдержке в течение 5 мин на поверх ностях паза осаждается слой материала толщиной 100 мкм, а.
229
на торцовых поверхностях магнитоправодаслой толщиной
до 200 мкм. ДаJiьнейшее увеличение потенциала интенсифици
рует процесс электроосаждения, но сопровождается ухудше
нием ка1Iества осажденных слоев. Электроосажденные слои
на внутренних поверхностях пазов оказывались примерпо в
2 раза более тонкими, чем на внешних торцовых поверхностях магнитопровода. Дальнейшее выравнивание толщины покры
тий можно осуществить различными приемами. Наиболее про
сто эта задача решается путем использования маскирующих
приспособлений, препятствующих электроосаждению. В соче тании с технологическими приемами послойного нанесения и формирования электроизоляционного слоя применение маски рующих приспособлений позволяет нивелировать разницу в толщинах покрытий на различных участках магнитопровода.
7.5. НАНЕСЕНИЕ ПОКРЬIТНА НА ТРУБЬI
Н ТРУБОПРОВОДНУЮ АРМАТУРУ
Трубы относятся к специфическим изделиям в плане нанесе
ния покрытий. С одной стороны, простая форма и, как прави ло, большое количество однотипных изделий позволяют доста
точно нросто и эффективно механизировать или автоматизи
ровать процесс нанесения покрытий. Но, с другой стороны,
широкий набор типоразмеров, различные требования к покры
тиям на внутренней и внешней поверхностях труб, а также к nокрытиям различного функционального назначения обуслов ливают необходимость 1;3ыбора наиболее эффективного и од новременно экономичного способа нанесения покрытий в за
висимости от требований к их свойствам. Покрытия на внут
ренней поверхности труб обеспечивают защиту от воздействия агрессивных сред, транспортируемых по трубам, предохраня ют от отложений осадков и предупреждают засорение продук тами коррозии перекачиваемых материалов, обеспечивают повышение пропускной способности труб за счет уменьшения
шероховатости стенок. Покрытия на наружной поверхности
труб нспользуют для их гидроизоляции и повышения эффек тивности I\атодной защиты, а также для уменьшения тепловых
потерь прн транспортировке горячих жидкостей. Различное
функциональное назначение покрытий обусловливает различ ную степень сложности задачи нанесения покрытий, отвечаю щих требованиям качества, на внутреннюю и внешнюю по верхность труб.
Для нанесении покрытий на внутреннюю поверхность име
ются несколько основных методов и многочисленные вариан
ты устро!Iств для их реализации. Трудности нанесения обус ловлены разли 1IИями в геометрических характеристиках труб, которые по степени сложности получения покрытий необходи
мой тoJIЩIIHЫ и степени равнотолщинности можно разделить
230