Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. Т

поток источника плоско параллелен, т. е. при выходе н-з от­

ражателя не рассеян. Частица полимера вносится в таr<ой по­

ток и следует вдоль него к поверхности твердого тела. Средние

значения параметров процесса устанавливаем на основании

опытных данных. Расстояние от ИК источника дu нагреваемой

поверхности выдерживается в пределах 0,1 ...0,2 м. С точки

зрения равномерности нанесения слоя полимера на покры­

ваемую поверхность лучшие результаты получают при L=

Рис. 4.5. Модельная схема к нагреву частиц в ИК nо­

токе

= 0,2 м. Частицы подают в зону теплового потока и распыляют

воздухом при нормальной температуре То. Средняя скорость их движения составляет ,....., 5 м/с. В таком случае частица за время полета взаимодействует с потоком в течение 0,4 с.

Плотность потока излучения оценим из выражения

(4.14)

где N = 1145 Втноминальная мощность источника при нап­ ряжении питания 220 В; 11 =0,716- термический r<оэффициент

полезного действия источника; Fнповерхность излучения

(отверстия отражателя), которая для экспериментального

устройства составляет 0,02 м2 • Тогда Е=42 600 Вт/м2.

Используя данные ИК спектроскопии ПЭВП [214], где при­ ведсны оценки средних величин пропускания пленок толщиной 0,1 и 1,0 мм (80 и 40% соответственно), методом экстраполя­

ции устанавливаем степень поглощения излучения различ­

ными пu веJшчине частицами ПЭВП. При этом частицу пред­ ставляем в виде диска, имеющего диаметр и объем, равнове­ ликие исходной сферической частице. Толщина такого диска равна 2/3 d. Тогда для модельных частиц диаметром 200, 100

и 50 мкм коэффициент логлощения излучения ен (по аналогии

со степенью черноты поверхности) будет равен 0,22; 0,16 и 0,12

соответственно.

Количество тепла, поглощенное частицами за врс:--1я поле­

та, описывается выражением

где Fн=nd2/4- эффективная поверхность частицы (воспри-

101

нимающая радиационный поток). Тогда частицы размером

200, 100 и 50 мкм за время взаимодействия с лучистым пото­

плавления н расплавления полимера, можно оценить из соот­ ношения

=303 К; qu."J= 143 кДж/кгудельная теплота плавления по­ лимера (определена методом ДТА при скорости нагрева

2,5 град/с, а в качестве эталона использована бензойная кис­

лота, мольная энтальпия плавления которой 17,32 кДж· моль-• [ 192]). Тогда для нагрева модельных частиц размером 200, 100 и 50 мкм необходимо затратить тепловой энергии 1,35Х

Х 10-3; 1,68-10·-4 и 2,09-10-5 Дж соответственно.

Таким образом, даже без учета охлаждения частиц в про­ цессе поJiета в воздушной среде, температура которой близка

к температуре окружающего пространства (воздух тепло­

прозрачен и лучевым потоком не нагревается), тепла, получае­

мого частицами от инфракрасного источника, недостаточно для их эффеrпивной термаактивации прежде всего из-за ма­

лости размеров частиц и теплопрозрачности полимеров. Экспе­

римент, выполненный с использованием распылителя, осна­

щенного двумя лампами КГ-220/1000, подтвердил, что без пред­

варительного нагрева поверхности субстрата эффекта наплавки не наблюдается, форма частиц не изменяется, что свиде­ тельствует о плохом их прогрене в лу•rевом потоке. Для полу­ чения поr<рытиii теплолучевым методом предварительно прог­

ревают поверхность изделия до температур, превышающих

значения температур плавления используемых полимеров, с

последующим обдувом нагретого участка струей частиц. При

102

этом технико-экономическая эффективность метода по срав­

нению с аналогичными показателями газатермического напы­

ления оказывается более высокой. В частности, в табл. 4.2

представлены результаты сравнительных испытаний эффек­

тивности наплавки различными методами полидисперсного

ПВБ на поверхность стального листа (б =0,8 мм) слоем тол­

щиной ,....., 0,6 мм [23].

Эффективность лучевого нагрева в процессах получения КМП высока прежде всего при нанесении слоя полимера на нетеплоемкие поверхности относительно простой конфигура­ ции. Закономерности нагрева поверхности и наплавки поли­

мерного слоя устанавливаются для каждого конкретного слу­

чая с у9етом констру1стивных особенностей используемой лу­

чевой техники и геометрических соотношений в системе ИК источникиобрабатываемая поверхность. Особенно высока эффективность ИК нагрева при термообработке препрегов

конструкционных слоистых пластиков.

4.]. РАСПЫЛЕИНЕ РАСПЛАВА nоЛИМЕРА

Нанесение полимерного слоя на большие поверхностн может быть осуществлено пневмоэкструзионным методом, основан­

ным на распылении расплава горячим газом [225]. Расплав­

ление полимеров осуществляют в экструдерах или червячных

(шнековых) прессах (это позволяет легко вводить в перера­

батываемые материалы различные модификаторы), оснащен­

ных газовыми форсунками. Распыление (диспергирование)

расплава и транспортировку получаемых частиц производят

горячим газом. Схема экспериментальной установки, снабжен-

Рис. 4.6. Схема экспериментальной пневмоэi\струзионной устаноuкн: 1 -

привод; 2 - экструзнанное устройство; З- пневматическая форсунка; 4 - обогреваемая насадка; 5 - павель ИК нагрева; б- манипулятор; 7 - об­ разцы; 8 - автономная паиель ИК нагрева (три лампы КГ-220/1000); 9 -

паиель темного излучения; 10- нагреватель воздуха

103

пой маннпулятором и системами дополнительного нагрева

покрываемой поверхности, приведсна па рис. 4.6. Днспергнрование расплава полимера существенно отлича­

ется от распыления низкомолекулярных жидкостей, когда об­ разуются капе:Iьные дисперсии. Струя расплава полимера, выходящая из сопла форсунки, представляет собой вязJ<опла­

движение материала вследствие трения при обтекании струи расплава и вытягивает его в тонкую нить. Одновременно с вы­ тягиванием нити происходит ее колебание под действием тур­ булентностн газовой струи. Однако разрушение струи проис­ ходит не вследствие возникновения волновых вqзмущений на ее

поверхности, как при распылении низкомолеi<улярных вязких

жидкостей, а в результате механического разрыва при пре­ дельном вытягивании. По мере удаления от сопла форсунки

длинные участки нитей перехлестываются, сплавляются в ме­

стах I<онтакта, образуют сгустки. На расстоянии 50... 100 мм от

сопЛа форсунки амплитуда колебаний частиц расплава зату­

хает, нитевидные образования утолщаются и приобретают

округлую форму. При этом основными факторами, влияющими

на процесс диспергирования полимера, являются физические

свойства рас1тава и распыляющего агента, скоростные и теп­ ловые характеристики газополимерного факела.

Механизм и характер диспергирования расплава полиме-· ров оценены на примере ПЭНП. В предварительных ЭI<спери­

ментах были установлены оптимальные режимы ведения про­ цесса: температура в средней зоне плавильного цилиндра-

553 К; температура головки (расплава) - 593 К; температура диспергирующего газа (воздух) - 613 К; выход полимера

через питающий канал форсунки диаметром 1,6 мм- 1 кг/ч;

расход В"Оздуха ,_.10 м3/ч [320].

Распределение частиц распыляемых жидкостей по размеру

чаще всего подчиняется закону Розина7Рамлера [35]. Одна­ ко оценкп по!\азаJш, что при диспергировании расплава ПЭНП

действует иной закон распределения частиц.

Поскольку вытягивание волокна происходит под действием

воздушной струи, то, как принято в аэродинамике, для тел,

движущихся в воздушном потоке, силу Р можно оценить по формуле

(4.17)

где '\'в- плотность воздушного потока; Схкоэффициент со­ противления движению; F - характерная площадь взаимо­

действия; v - относительная скорость потока.

104

Отрыв элементарного волокна от струи расплава проис­

ходит при достижении растягивающим напряжением предель­

ных значений, т. е. в момент обрыва волокна:

Здесь dn- диаметр волокна. С другой стороны, расплав поли­ мера в первом Приближении можно рассматривать как .ли­ нейно-вязкую среду, подчиняющуюся закону Ньютона, тогда

где 11- вязкость расплава; de/d-т:- скорость деформации.

Интегрирование уравнения (4.19) в промежутке врем~ни

от -т: до -т:+tl-т: дает линейную зависимость относительного

удлинения от импульса I силы Р, действовавшей на расплав

н течение этого промежутка времени:

(4.20)

Отсюда следует, что диаметр частиц должен быть распреде­

J!СН по логарифмически нормальному закону, что и подтверж­

дается экспериментом.

Подобный анализ позволяет указать некоторые пути повы­ шения дисперсности распыления. В частности, из соотноше­

ний (4.17) и (4.20) видно, что этому способствует снижение

вязкости расплава, увеличение скорости распыляющего газа

и характерной площади F. В частности, характерную площадь

можно увеличить возбуждением колебаний канала, подаю­

щего расплав, и потока воздуха в распыляющем сопле, что

реализовано в новой конструкции диспергирующей насадки

[274].

Результаты оценки температурного поля факела распыла

показали (рис. 4.7), что воздух чрезвычайно быстро теряет свою тепловую энергию и без дополнительного подвода тепла

не может быть эффективной средойносителем расплавлен­ ных частиц к покрываемой поверхности. В частности, на рас-

5

IOL-~~~~~--~~--~~--~~

ПЭВП: f-570 К; 2-520; 3 - 470; 4 - 420; 5 - 370; б- 350 К

105

Диспергирование высоковязких расплавов термапластов

газовым потоком удается осуществить лишь при условии их

значительного перегрева. В частности, максимальная темпе­

ратура расплава ПЭВП в таком процессе (по условию обес­ печения термостабильности) составляет 613 К. На расстоянии

50 мм от устья форсунки температура диспергирующего газа

Рис. 4.8. Форма и размеры слоя ПЭВП, наносимого за одинаковое

время распыления, в зависимости

от расстояния форсунки до обра·

батьшаемой поверхности: 1 - L=

10 мм; 2-50; 3-100; 4-200 мм

снижается до величины, равной температуре плавления поли­ мера (398 К). ;vlожно принять, что на этом расстоянии закан­ чивается диспергирование расплава и в дальнейшем полете

участвуют частицы, равномерно прогретые до Tu=613 К по

всему объему. Температура и скорость газового потока по оси

факела уменьшаются по экспоненте, и на расстоянии L=

=0,2 м, оптимальном с точки зрения равномерного распреде­ ления массы диспергируемого полимера по защищаемой по­ верхности (рис. 4.8), скорость газового потока составляет по­

рядка 12... 15 м/с, а его температура равна температуре окру­ жающего пространства Т0=293 К. Приняв, что средняя скорость полета частиц 15 м/с, а дистанция напыления Lпол=

=0,15 м, получим характерное время нахождения их в кон­

такте с низкотемпературной газовой средой ( ,..._, 10-2 с).

Для оценки температурного состояния частицы можно

принять следующую модельную схему. Сферическая частица

радиусом Гп с известной начальной температурой Тп вносится

в охлаждающую среду. В начальный момент времени поверх­ ность частицы мгновенно охлаждается до температуры Т0, I<аторая поддерживается постоянной на протяжении всего

полета. Охлаждение объема частицы осуществляется путем теплопроводности. Требуется определить распределение тем­

пературы в центре частицы к моменту ее конта~па с твердой поверхностью и удельный расход тепла. В такой постановке задача сводится к решению дифференциального уравнения

теплопроводности следующего вида [152]:

106

чаются частицы размерами от 40 до 160 мкм. Оценку харак­

тера охлаждения расплава проведем для крупных частиц,

имеющих большой запас тепловой энергии (примем d= = 150 мкм, тогда rп= 75 мкм). Тогда при коэффициенте тем­

пературапроводности ПЭВП au= 1,1·10-7 м2/с критерий Фурье

будет равен 0,22. При этом уравнение (4.22) представляет

собой быстро сходящийся ряд, т. е. можно ограничиться од­

ним его членом (п = 1), тогда

Таким образом, горячие частицы за чрезвычайно короп(ое

время полета ( 10-2 с) в среде воздуха быстро остывают, что

и наблюдается на пра~пике. Для защиты струи расплавленных частиц от охлаждающего действия окружающей среды и для придания ей дополнительной тепловой энергии разработаны

специальные обогреваемые насадки, что позволило ·получить

газадисперсный поток, имевший среднюю температуру 510 К. Теплосодержание расплава оказалось достаточным для фор­ мирования полимерного слоя на тонколистовом (сталь тол­

щиной 0,35 мм) металле.

Нанесение полимера на изделия большей теплоемкости

возможно при использовании предварительного нагрева по­

верхности любым методом, например лучевыми источниками. При этом важным элементом технологии является согласова­

ние скоростей нагрева поверхности и ее перемещения отно­

сительно факела распыла. Варьируя скорость перемещения

подложки и расход полимера, удается получать поi<рытие

107

удовлетворительного качества на стальных листах толщиной

до 5 мм. Для более теплоемких изделий требуется дополни­

тельная тепловая обработка покрытия из-за непроплавов и

низкой адгезии полимерного слоя к субстрату.

Процесс пленкаобразования из расплава термапластов затруднен наличием сгустков частиц неправильной формы и

нитевидных образований. При достаточном прогреве поверх­

ности сплошной полимерный слой может быть ·получен тол­

щиной не менее 0,5 мм (более тонкие слои оказываются пори­

стыми). Термический 1<. п. д. процесса в зависимости от тепло-

емкости субстрата составляет от 15 до 33%. ·

4.4. СТРУйНЫЕ МЕТОДЬI

Термаактивация частиц при нанесении слоя полимера на по­

верхность субстрата не является обязательным условием ве­ дения процесса. Нанесение покрытий часто осуществляют пу­

тем обдува предварительно подготовленных и нагретых по­

верхностей изделия струей дисперсного материала. Такие

приемы позволяют наносить полимерные слои на поверхности

больших размеров, покрывать отдельные участки поверхно­

сти, в том ЧИСJ1е труднодоступные полости, углубления, щели

и т. д.

Известно большое количество конструктивных и техноло­

гических вариантов струйного метода [ 15, 59, 187). В частно­

сти, только по характеру нагрева поверхностей изделий ис­

пользуют несколько различных приемов. Для массивных

изделий, обладающих большой теплоемкостью, применяют

предварительный нагрев с таким расчетом, чтобы запаса тепла хватило на все время струйной обработки поверхностей до получения полимерного слоя заданной толщины. Для тон-

1\Остенных изделий поддерживают температуру покрываемых поверхностей на необходимом уровне путем помещения их в нггревате.ilьные устройства.

Характерным примерам такого конструктореко-технологи­ ческого решения является процесс нанесения покрытий на внутренние поверхности труб и емкостей, прогреваемых в ходе

струйной обработки индукционными токами или находящихся

в нагревательном устройстве. В большинстве случаев исполь­ зуют местный нагрев поверхности непосредственно перед об-

работкой струей полимера. • Существенные трудности при получении КМП струйными

методами связаны с обеспечением равномерной толщины поли­

мерного слоя и необходимостыо дополнительного прогрева изделий с нанесенным покрытием для его окончательного формирования. Однако имеющийся опыт автоматизации струйных процессов и использование эффективных устройств

улавливания с последующей регенерацией дисперсных мате-

108

Гnава 5

ЭЛЕКУРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЬI

НАНЕСЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ПОЛИМЕРОВ

В основе многих технологических процессов лежит использо­

вание такого высокоинтенсивного физического воздействия,

как сильные электрические поля. В частности, электростати­

ческие процессы нанесения дисперсных полимеров с целью

получения КМП основаны на взаимодействии электрических

полей, напряженность которых достигает 103 кВ/м, и зарядов

частиц дисперсных полимеров и других компонентов.

Электростатический процесс нанесения дисперсных поли­

меров состоит из электрозаряжения полимерных частиц, их

переноса к подложке (наполнителю) во внешнем электриче­

ском поле, а также осаждения и удержания на ней частиц. В

результате на поверхности подложки или в объеме наполни­ теля формируется электроосажденный слой заряженных ча­ стиц. Основная характеристика слояинтегральный заряд, величина которого в основном определяет свойства слоя и формируемых из него пекрытий или материалов на его основе. В свою очередь он зависит от многих факторов, из которых наиболее значительными являются эле1прический заряд ча­

стицы и параметры электрического поля.

В настоящее время разработана широкая гамма техноло­ гических схем и устройств для реализащш электростатических процессов нанесения дисперсных полимеров. С одной стороны, это затрудняет обобщение имеющегося материала и свиде­ тельствует об отсутствии универсального технологического процесса, а с другой, показывает широкие возможности воз­

действия электрического поля на дисперсные полимеры I<ак

средства управления параметрами процесса и свойствами

кмп.

Для облегчении анализа взаимосвязи электрических яв­ лений, составляющих основу процесса, и его технологичес1шх

параметров воспользуемся традиционным разделением элек­

тростатических процессов на две основные группы. К первой

относятся электроструйные процессы, ко второй - процессы с

использованием псевдоожиженного слоя дисперсных поли­

меров.

110