2.3. Контроль состава км и характеристик связующего

Измерители составов КМ. Прочностные и массовые харак­теристики изделий из КМ во многом определяются объемным содержанием наполнителя в композиционном материале, т.е. соотношением связующее – наполнитель. При производ­стве изделий с заданными прочностными, массовыми и герметизационными свойствами требуется непрерывный или перио­дический контроль содержания связующего в пропитанном ма­териале, осуществляемый обычно непосредственно перед формованием изделия или на стадии контроля его качества.

Для оперативного контроля массового содержания связующего в неотвержденном КМ наибольшее применение нашли устройства, принцип действия которых основан на измерении существенно различающихся электрофизических характеристик наполнителя и полимерного связующего. Так, диэлектрическая проницаемость стекловолокна и эпоксидной смолы различается почти на порядок. Поэтому данный косвенный параметр ока­зывается зависимым от объемного (или массового) состава ком­позиции «связующее – летучие, пары воды – наполнитель». Если масса летучих и воды невелика или постоянна, то принци­пиально несложно определять соотношение связующее – напол­нитель путем измерения диэлектрической проницаемости про­питанного и непропитанного стекломатериала (жгут, лента, ткань). Ранее разработанные в 60–70-е гг. на этом принципе измери­тели соотношения связующее – наполнитель частично описаны в работах [5, 6, 17]. Большинство этих приборов обладает невы­сокой надежностью и низкими метрологическими характери­стиками (погрешности измерителей существенно зависят от нестабильности усилителей постоянного тока, влияния поляри­зационных эффектов в электрических ячейках, флуктуации температуры и толщины или формы контролируемого материа­ла), что затруднило широкое применение их в производст­ве КМ.

К числу наиболее совершенных в конструктивном и метро­логи­ческом отношении приборов относится измеритель массовой доли связующего в стеклоленте (ИСС-1), разработанный В.П.Горбовым. Он состоит из первичного преобразователя (ПП), устанавливаемого около движущегося стекломатериала; промежуточного измерительного преобразователя (ПИП) и регистрирующего потенциометра (П).

Первичный преобразователь включает измерительный мост и предварительный усилитель. Мост образован обмотками трансформатора и двумя конденсаторами: измерительным, через который движется материал шириной не более 180 мм, и компенсирующим с регулировочным винтом для установки «нуля» прибора. В состав ПИП входят усилитель, эмиттерный повторитель, амплитудно-фазовый детектор и усилитель постоянного тока, на выходе которого получа­ют сигнал (напряжение 0–5В). Для ослабления поляриза­ционных эффектов мостовая схема ПП и детектор запитываются переменным напряжением с частотой 100+10 кГц от гене­ратора. Питание прибора осуществляется напряжением постоянного тока ±24 В от источника ИП. Для регистрации результата измерения используют автоматический потенцио­метр П с пределом измерения 0–100 мВ.

Первичный преобразователь устанавливают обычно после отжимного устройства узла пропитки материала. Перед вклю­чением прибора ИСС-1 в измерительный конденсатор, состоя­щий из четырех попарно соединенных низко- и высокопотенци­альных электродов, вводят непропитанный материал и с помо­щью регулировочного винта компенсирующего конденсатора уравновешивают мост. Затем в измерительный конденсатор вводят контролируемый пропитанный материал. Возникает разбаланс моста и появляется сигнал, пропорциональный содержанию связующего в КМ.

Прибор ИСС-1 имеет следующие технические характери­стики: диапазон измерения массовой доли связующего – от 25 до 50%; основная абсолютная погрешность измерения +2%; дополнительная погрешность, вызванная изменением темпера­туры окружающей среды на 10°С, – не выше 2%; постоянная времени – 10 с. Дополнительная погрешность измерения, обус­ловленная вариациями толщины материала в приборе ИСС-1, сравнительно невелика. Последнее является результатом того, что контролируемый материал движется вдоль силовых линий от высокопотенциальных электродов измерительного конденса­тора ПП к низкопотенциальным со скоростью менее 1 м/с, и флуктуации толщины слабо влияют на выходной сигнал.

Для непрерывного контроля концентрации связующего в стекло- и органопластиковых ленточных материалах, используе­мых при «мокрой» намотке изделий, применяют анализатор со­става пропитанной ленты АСПЛ-2, принцип действия которого также основан на зависимости диэлектрической проницаемости ленты от содержания в ней связующего [17]. В состав анализа­тора входят два емкостных первичных преобразователя (ПП1 и ПП2), устанавливаемых на движущейся ленте до и после ее пропитки в ванне (В), измерительный блок (ИБ) и регистратор (П) – автоматический потенциометр (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Схема анализатора состава стеклоленты АСПЛ-2 ПП1, ПП2 – первичные преобразователи, В – пропиточная ванна, ИБ – измерительный блок, П – автоматический потенциометр,U1, U2 –токовые сигналы 1, 2, 3 – общая, измерительная и охранная пластины, 4 – генератор, 5 –регулятор температуры, 6 – частотный повторитель

Каждый ПП имеет общую 1, измерительную 2 и охранную 3 пластины, в воздушном зазоре между которыми движется контролируемый материал шириной 40–90 мм, толщиной до 5 мм. Охранные пластины преобразователей служат для умень­шения искривления силовых линий электрического поля и сни­жения погрешности измерения при нестабильном положении объекта контроля. ПП включен в частотно-зависимую цепь генератора 4, поэтому изменение соотношения связующее – на­полнитель в емкостной ячейке ведет к вариации частоты гене­ратора. Для уменьшения дополнительной погрешности измере­ния вследствие флуктуации температуры материала оба преобразователя имеют систему автоматической термостабилизации с регуляторами 5. Преобразователи ПП1 и ПП2 содержат пов­торители 6.

Измерительный блок ИБ имеет два канала преобразования частотных сигналов от ПП1 и ПП2 в сигналы постоянного тока. В блок входят устройства для регулировки чувствительности каждого канала и установки их «нулей» по специ­альным индикаторам.

Электрическая схема стандартного регистрирующего потен­циометра П изменена так, чтобы обеспечить в измерительном устройстве деление сигнала, пропорционального содержанию связующего в ленте, на сигнал от ПП1, через который про­ходит непропитанный наполнитель. Результат деления сигналов отмечается на шкале потенциометра, проградуированной в процентах содержания связующего (20–40% для стекловолок­на, 30–60% для органоволокнистого наполнителя).

Анализатор АСПЛ-2 требует квалифицированного обслужи­вания: установка «нулей» и согласование чувствительности ка­налов должны производиться через каждые 3–4 ч эксплуата­ции; периодически необходимо осуществлять тарировку прибо­ра. При соблюдении этих и ряда других условий анализатор обеспечивает измерение состава ленты погрешностью, не превышающей ±3%.

Анализатор содержания связующего в КМ АСПМ-2 прин­ципиально не отличается от прибора АСПЛ-2, кроме незначи­тельных конструктивных особенностей, в частности наличия полуавтоматической подстройки «нулей» усилителей постоянно­го тока. Прибор АСПМ-2 позволяет определять состав пропитанного материала как по абсолютной, так и по относительной разности сигналов Зави­симость массового содержания связующего у_с в исследуемом материале от сигналов U\ и U₂ имеет нелинейный вид:

где ; – диэлектрические прони­цаемости наполнителя и связующего; – плотности напол­нителя и связующего.

Прибор требует индивидуальной градуировки для каждого типа наполнителя и связующего. Абсолютная погрешность измерения содержания связующего в материале толщиной 0,2–2 мм и шириной 50–150 мм составля­ет ±2,5% (при периодичности подстройки «нулей» усилителя через 1–2 ч).

Периодический контроль содержания связующего в КМ вы­полняют чаще всего в лабораторных условиях путем выделения из пропитанного образца материала органической составляю­щей (летучие, вода и связующее). Матричный материал экстрагируют из образца спиртом или толуолом, либо (чаще) выжигают в му­фельных печах при повышенных температурах. Разность масс образца до и после выжигания и есть в первом при­ближении массовое содержание связующего (абсолютная погрешность не более 0,7%). Лабораторный конт­роль содержания связующих может быть автоматизирован. Это позволяет почти на порядок сократить продолжительность определения состава и уменьшить вероятность появления субъективных ошибок при взвешивании образцов и выполнении расчетов.

Рис. 2.14. Структурная схема автоматизированной установки для экспресс-контроля содержания связующего: 1 – образец стекломатериала; 2 – кювета; 3 – шток; 4 – электронные весы; 5 – преобразователь; 6 – преобразователь; 7 – блок управления; 8 – исполнительный механизм; 9 – муфельная печь

Структурная схема автоматизированной лабораторной уста­новки для экспресс-контроля содержания связующего в стекломатериале [18] приведена на рис. 2.14. Установка работает следующим образом. Пробу 1 пропитанного КМ помещают в кювету 2, которая через теплоизолирующий шток 3 связана с электронными весами 4 типа ВЛК-3, снабженными преобразо­вателем 5. Выходной сигнал преобразователя вводится в элект­ронно-вычислительное устройство 6. После запуска всей установки это устройство с некоторой задержкой счи­тывает сигнал, пропорциональный массе кюветы и образца, и включает че­рез блок управления 7 исполнительный механизм 8, опускающий муфельную печь 9 на кювету. В муфельной печи в течение 6 мин при температуре 700±20°С происходит выжига­ние связующего из образца, после чего по команде вычисли­тельного устройства печь автоматически поднимается в исходное положение. Спустя определенное время кювета с минераль­ными остатками КМ взвешивается и регистрируется сигнал на выходе ве­сов. Запаздывание в 5 с вводится для устранения влияния на результат измерения переходных процессов в весах. Задержка времени, равная 50–60 с, необходима для восстановления теплового и влажностного равновесия в системе «прокаленный образец – окружающая среда» и более полного удаления продуктов сго­рания после подъема муфельной печи. Введение времен запаздываний повышает точность измерения массы кюветы с пробой. Массовое содержание связующего в стекломатериале у_с (в %) рассчитывают в вычислительном устройстве по фор­муле

где – масса пустой кюветы. Результат расчета фиксируют на цифровом табло.

Основные технические характеристики установки для эк­спресс-анализа содержания связующего: диапазон измерения 25–45%, абсолютная погрешность 1%, продолжительность одного анализа 7 мин.

При большом числе экспресс-анализов содержания связую­щего используют несколько автоматизированных лабораторных установок. Для этого применяют программное управление каж­дой установкой и обработку результатов измерения массы производят на ЭВМ. Функциональная схема каждой установки при этом претерпевает незначительные изменения: с выхода весов ВЛК-3 аналоговый сигнал постоян­ного тока с уровнем напряжения 0–100 мВ вводят в усилитель постоянного тока Ф-8024 и подают на ЭВМ. Машина выполняет для каждой установки отсчет времени, управляет положением муфельной печи, считывает результаты измерений, вычисляет у_с, отображает результаты определения содержания связующего на экране дисплея и регистрирует их в виде протокола на печатающем устройстве.

Анализатор позволяет определить содержание связующего в материале только при стекловолокнистом наполни­теле и неприменим для оценки состава органопластиков, у которых температура разложения наполнителей и связующих примерно одинаковы.

Для определения содержания органического наполнителя применяют термогравиметрический метод, допускающий авто­матизацию операций взвешивания и расчета. При реализации этого метода образец КМ нагревают с постоянной скоростью 6°С/мин до заданной температуры и затем термостатируют в течение определенного времени. При этом автоматически произво­дят измерение массы образца перед началом опыта и изменение массы в моменты времени начала и окончания процесса термостатирования. По относительной потере массы вычисляют содержание органического наполнителя. Например, для органического волокна ВНИИВЛОН и эпоксидных смол ЭДТ-10Т и ЭДТ-16 температура начала разложения равна 380–420 °С, а время проведения опыта составляет порядка 20–30 мин.

Лабораторная установка для определения содержания на­полнителя в КМ термогравиметрическим методом состоит из дериватографа, преобразователя показаний весов и командно-вычислительного устройства для изме­рения температуры в электрической печи дериватографа. Погрешность определения состава (соотношения матрица – наполнитель) для органопластика с использованием дериватографа не превышает 2%, длительность одного измерения – 80 мин. При использовании термостата с программным регулятором и ана­литических весов для определения массы образца общая по­грешность измерения содержания органонаполнителя возра­стает до 5–6%.

Измерители характеристик матричного материала. Процесс отверждения связующего сопровождается заметным изменением его электрофизических характеристик, в частности диэлектрической проницаемости е. Для оперативно­го контроля кинетики отверждения используют изменение величины е. Лабораторный анализатор – диэлькометр КАДР-1М, структурная схема которого показана на рис. 2.15, а, состоит из первичного (ПП) и вторичного (ВП) преобразователей.

Рис. 2.15. Структурная схема (а) и конструкция датчика (б) диэлькометра КАДР-1М: 1 – датчик; 2 – термостат; 3 – измерительный генератор; 4 – регуляторы температуры; 5 – кварцевый генератор; 6 – смеситель частот; 7 – фильтр; 8 – частотомер; 9 – показы­вающий прибор; 10 – подвижный и неподвижный электроды; 11 – регулировочный винт; 12 – КМ; 13 – корпус; 14 – сменные кольца

В первичный преобразователь (рис. 2.15,6) входят датчик 1, помещенный в термо­стат 2, измерительный генератор 3 с устройством подстройки частоты, двухпозиционные регуляторы 4, осуществляющие ста­билизацию температуры в термостатах. Устройство подстройки частоты включено параллельно датчику и предназначено для компенсации вариаций емкости конденсатора, возникающих при изменении диэлектрической проницаемости исследуемого мате­риала. В состав этого устройства входят параллельно включен­ные компенсирующие конденсаторы постоянной и переменной емкости, коммутацией которых можно вручную обеспечить изменение емкости на 11О пФ.

Датчик ПП (рис. 2.15,6) представляет собой плоский двух­сторонний конденсатор. Между его подвижным и неподвижным электродами 10 помещается исследуемый материал 12. Границы конденсатора определены корпусом 13, служащим основой всех деталей датчика. Для изменения емкости незапол­ненного конденсатора датчик имеет сменные кольца 14 разной высоты, что позволяет варьировать расстояние между его электродами. Для уплотнения в конденсаторе исследуемого материала и выдавливания его излишков через специальные отверстия в датчике имеется регулировочный винт 11.

Вторичный преобразователь содержит два функциональных узла: преобразователь частоты (кварцевый генератор 5, смеси­тель-понизитель частоты 6, фильтр 7) и частотомер 8 с показы­вающим прибором 9. Преобразователь имеет автономное уст­ройство питания.

При исследовании кинетики отверждения КМ с помощью диэлькометра КАДР-1М необходимо в моменты времени измерения емкости конденсатора выполнять балансировку ча­стоты на уровне 1-–2 кГц с помощью устройства подстройки. Искомое значение емкости определяют по суммарной емко­сти компенсирующих конденсаторов. Затем определяют относительное прираще­ние диэлектрической проницаемости материала.

Диэлькометр КАДР-1М позволяет контролировать измене­ния диэлектрической проницаемости в интервале 2–20 (вариации емкости в диапазоне 0–11О пФ), допустимая нестабиль­ность 0,03 пФ при эксплуатации менее 6 ч. Температура в термостате датчика может устанавливаться в диапазоне 40–140 °С и поддерживаться с погрешностью ±1 °С.

Одной из важнейших характеристик связующего, применяе­мого для пропитки наполнителей, является его вязкость. Для оперативного контроля этого технологического показателя в пропиточных ваннах применяют вискозиметры, принцип дейст­вия которых основан на эффекте изменения интенсивности ультразвуковых колебаний при прохождении их через вязкую жидкость. По конструктивному оформлению эти приборы подразделяют на одно- и двухканальные [17].

Одноканальный вискозиметр типа УКВС состоит из пере­датчика и приемника ультразвуковых колебаний, регистратора и блока питания. В передатчик входят генератор ультразвукового напряжения, модулятор и пьезоэлектри­ческий излучатель, устанавливаемый в пропиточной ванне. Узел приемника ультразвуковых колебаний включает собст­венно приемник, смонтированный в пропиточной ванне, двухкаскадный усилитель, детектор прямоугольных колеба­ний и индикатор. Для регистрации выходного сигнала используют серийные автоматические потенциометры.

Зависимость выходного напряжения от вязкости связую­щего в ванне имеет монотонный нелинейный характер, что требует индивидуальной градуировки шкалы регистрирующего прибора. Метрологические характеристики и эксплуатационная надежность одноканального вискозиметра невысоки. Погреш­ность прибора и стабильность его работы существенно зависят от наличия в контролируемом связующем пузырьков воздуха (пены), частиц наполнителя и других посторонних включений.

Двухканальный вискозиметр УКВС имеет два контура из­мерения затухания ультразвуковых колебаний в вязком связую­щем [17]. Модуляторы определяют амплитуды импуль­сов напряжения высокочастотных генераторов с соответствующими часто­тами. Эти сигналы поступают на пьезоэлектрические излучатели, погруженные в связующее в ванне. Пьезоэлектрические приемники воспринимают ослаб­ленные ультразвуковые колебания, прошедшие через слой вязкого связующего. Эти колебания усиливаются в блоках и поступают на детекторы, которые выделяют огибающие колебаний и вводят их в емкостные накопители. Сигналы от накопителей вычитаются друг из дру­га в сумматоре; а получаемая разность напряжений пропорциональна вязкости связующего. Напряжение поступает в нормирую­щий усилитель, выходной сигнал которого вводится в реги­стратор ив УВМ.

Двухканальный прибор обладает более высокими метроло­гиче­скими характеристиками, чем одноканальный. Это достига­ется значительным уменьшением аддитивной составляющей погрешности при вычитании сигналов. Кроме того, в вискозиметре имеется блок для определения скорости про­хождения ультразвука через связующее. Если, например, в контролируемом объекте появляются пена или частицы наполни­теля, возникают вариации скорости ультразвука, и этот блок вырабатывает корректирующий сигнал, который вводится в виде отрицательной обратной связи в сумматоры напряжений. В результате уменьшается методическая ошибка изме­рения, обусловленная факторами, влияющими на скорость рас­пространения ультразвука в вязкой жидкости.

По известной скорости ультразвука в связующем можно оценить и его плотность. В двухканальном вискозиметре имеет­ся возможность контроля плотности связующего по стрелочно­му прибору, подключаемому с помощью переключателя к блоку определения скорости ультразвука. Двухканальный вискозиметр имеет нелинейную шкалу и нуждается в индиви­дуальной градуировке.