Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. Т

(Х. 0.) (Лп=О,IОI Вт/(м·К)) и ПП (Лп=0,087 Вт/{м.·К)).

нанесенных на стальные трубы различных диаметров, пред­

ставлены на рис. 6.4. Видно, что наличие полимерного слон способствует некоторому снижению интенсивности теплооб­

мена, величина которого не превышает 5%.

Таким образом, слой дисперсного полимера, находящийсн

на поверхности металла, приводит к интенсификации тепло­

обмена в условиях конвективного нагрева. При использованин

в качестве нагревате:тtьных устройств камер с принудите.riьноli

циркуляцией теплоносителя роль конвективной составляЮЩей

теплообмена может существенно возрасти.

6.2. ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНОГО СЛОЯ

НА РАДИАЦИОННЫЕ СВОЯСТВА ПОВЕРХНОСТИ

Предыдущие ЭI<сперименты показали, что теплообмен образ­

цов, покрытых слоем дисперсных полимеров, в условиях сво­

бодной конвекции на самом деле является сложным теплооб­

меном, в котором существенная роль принадлежит лучистой

составляющей. В связи с ограниченностью сведений о радиа­

ционных свойствах дисперсных полимерных материалов 11 композиций на их основе возникают затруднения при оценке

их влияния на радиационные свойства поверхности нагрева

[214]. Тенденция широкого использования в технологии !<ОМ­

позиционных материалов и покрытий высокоинтенсивных лу­ чистых источников тепловой энергии приводит к возрастанию·

роли поглощательных характеристик поверхности' твердого

тела, покрытой слоем полимера, на всех этапах процссса фор­

мирования системот дисперсного состояния слоя до моно­

литной пленки [148, 212].

Экспериментальнос исследование радиационных своi(ств.

поверхности металла, покрытой слоем дисперсных ыатерiiа­

лов в свободно насыпанном, уплотненном и оплавленном со­

стояниях, выполняли при разряжении 10 Па стационарным методом на установке, изображенной на рис. 6.5. Оценивали

интегральную нормальную излучатсльную способность образ­

цов, представляющих собой латунный диск диаметром 50 мм

и толщиной 4 мм, на верхнюю поверхность которого наносll:НI

слой полимера. Образец и термаприемник располагали соос1ю

в герметичной охлаждаемой камере, их эффективные поверх­

ности были параллельны друг другу. Образец устанавливалн

на поверхность нагревателя, выполненного в виде монолитно­

го блока из меди, имеющего встроенную электрическую об­

мотку. Температура образца определялась термопарой ХК,

горячий спай которой был зачеканен в его поnерхность. Тем­

пературу поверхности слоя полимерного материала и эталона

измеряли медьконстантановой термопарой (диаметр прово­

дав 0,05 мм). Термоhриемник градуировали по модели черно-

171

го тела. Соблюдая идентичность условий градуировки и ЭI{С­ перимента при равенстве сигналов (э. д. с.), интегральную нормальную излучательную способность, которой эквивалент­

на степень черJ:Iоты поверхности Еп, определяли из выражения

где во= 0,99- эффективная степень черноты модели черного тела; То, Tn и Tn- абсолютные температуры модели черного

Рис. G.5. Схема экспериментальной установки: 1 - датчик теплового по­

тока: 2 - диафрагмы; 3 - образец; 4 - нагреватель; 5 - охлаждаемая

вакуумная камера

тела, поверхности образца и окружающего пространства соот­

ветственно. Образцы нагревали ступенчато с выдержкой на

каждой ступени в течение 1 ч.

Эффективную поверхность латунного образца зачищали

наждачной шкуркой до блеска, что позволило получить ин­

тегральную нормальную излучательную способность поверх­

ности (En=0,18), и окисляли нагреванием в течениЕ11 ч при

873 К. в среде воздуха, что привело к росту этого показателя

до Еп= 0,57. Полученные значения удовлетворительно согла­

суются с имеющимиен справочными данными для степени чер­

ноты поверхности латуни [ 163].

Результаты оценок En поверхности металла, покрытой пу­ тем насыпания по трафарету дисперсными полимерами, при­ всдепы на рис. 6.6 и 6.7, из которых видно, что зависимости t-:п

172

от толщины слоя описываются кривыми с насыщением. Влия­

ние свойств поверхности твердого тела на вп сказывается вплоть до толщины полимерного слоя 1,5...2,0 мм. Относитель­

ное влияние дисперсного материала на е0 уменьшается с уве­

личением исходной степени черноты поверхности металла.

Максимальная величина Вп не зависит от свойств поверх­

ности металлического образца и характеризует радиационные

свойства дисперсного полимерного материала.

Itля практических целей необходимо знать степень черно­

ты поверхности субстрата, покрытой слоем дисперсного мате­ риала. В первом приближении слой частиц можно представить

как некоторую шероховатость, вызывающую увеличение сте­

пени черноты исходной (гладкой) поверхности. В таком слу­ чае степень черноты шероховатой поверхности вш может быть оценена по уравнению [1]

~о

173

Предположим, что форма частиц близка к сферической,.

частицы имеют одинаковый размер и рыхло упакованы (с по­

ристостью П) на гладкой поверхности. Рассмотрим модель­

элементарную ячейку, состоящую из четырех контактирую­

щих частиц. Полагаем, что пора такой ячейки эквивалентна цилиндру высотой lz, равной толщине слоя, и имеет радиус r. Тогда фактор шероховатости

Так как число частиц и пор в единице объема слоя пористостью П равно 6(1-П)/:rtd3 , то объем одной поры [172]

вычислить фактор шероховатости и записать выражение для

оценки степени черноты модельной системы. Уравнение (6.8) с учетом (6.9) и (6:1 О) имеет вид

Расчеты вш по данному выражению для образцов, покрытых дисперсным ПКА (Х.О.), имеющим в состоянии свободной за­ сыпки П=0,76 и эквивалентный днаметр частиц d=180 мкм,

приведсны на рис. 6.6 (штриховые линии). Видно, что расчет­

ные кривые удовлетворительно описывают качественную за­

висимость суммарной нормальной степени черноты поверхно­

сти образца от толщины слоя дисперсного материала, однако

количественные значения получаютсн существенно завышен­

ными, т. е. модель шероховатой поверхности, дающая прием­

лемые результаты для описания слон непрозрачных серых,

диффузно излучающих и отражающих частиц, оказывается малопригодной для полимерных частиц, которые в известной мере обладают и прозрачностыо, и селективностью. Источни­ ком сведений о радиационных свойствах поверхностей, покры­

тых слоем полимера, остается эксперимент.

Наблюдаемое различие значений вп (рис. 6.7), характеризу­

ющих радиационные свойства дисперсных материалов, зави­ сит от свойств полимеров, частиц и слоя. В частности, при

близких значениях степени черноты дисперсных фторопластов

и ПКА (Х.О.) первые оказывают более существеннос влияние

на радиационные свойства поверхности, будучи нанесенными на нее тонким слоем. Излучательнан способность дисперсного

174

ПКА (Х.О.) ОI<азалась более высоiшй, чем ПКА (М.И.), хотя

первичные радиационные свойства у этих материалов одина­ ковые. Естественно предположить, что в данном случае опре­

деляющее влияние на радиационные характеристики дисперс­

ного материала оказывают свойства частиц (плотность, фор­ ма) и слоя (характер упаковки).

Температура поверхности дисперсных полимеров оказыва­ ет слабое влияние на их радиационные характеристики (рис.

E.n

Рис. 6.8. В.lннш1с те~шературы поверхности образцов на степень их чср­ l!оты (то:1щинn с.1оя полимеров 1,5 мм). Обознnчения те же, что на рис. 6.7

6.8). С ростом температуры наблюдается монотонное сниже­

ние En, примерно одинаковое для всех исследованных материа­

лов. Некоторое отклонение от линейной зависимости для ряда

материалов при повышенных температурах вызвано частич­

ным оплавлением полимеров на поверхности металлического

образца, вызывающим усадку и изменение структуры насы­

панного слоя.

Влияние размера частиц на радиационные свойства ди­ сперсных полимеров оценивали на ПЭВП и ПКА (Х.О.) (рис. 6.9). Видно, что увеличение эквивалентного диаметра частиц

приводит к некоторому росту его излучательной способности.

Если для ПКА эта тенденция выражена достаточно отчетли­

во, то для ПЭВП можно говорить о слабом влиянии размера

частиц на Еп-

Оценку влияния структурного состояния слоя дисперсного

175

материала на излучательные свойства системы выполняли на

ПКА (Х.О.), который уплотняли прессованием. Толщину слон полимера выдерживали постоянной, пористость П изменяли

от 0.,76 для свободно насыпанного состояния до 0,2 для состо­

яния, получаемого при давлении прессования 20 МПа. Уплот­

нение дисперсного материала сопровождается разрушением частиц и агрегатов, при этом верхняя поверхность материала,

находящаяся в контакте с пуансоном, выглаживается и при

\б h, мм

П= 0,4... 0,3 становится глянцевой. Наибольшие изменения при

прессовании претерпевает плотность полимерного слоя, с уве­

JIИчением которой излучательвые свойства материала улучша­ ются (рис. 6.9, кривая 3).

Слой дисперсного материала в процессс пленкаобразова­

ния превращается в монолитную пленку, что приводит к изме­

пснию радиационных свойств системы. Экспериментальное

исследование влияния оплавленного полимерного слоя на ра­

диационные свойства твердой поверхности выполняли на суб­

страте из алюминия, интегральная нормальная излучательная

способность поверхности которого Ег= О, 12. Для исключения

влияния структурного состояния материала образцы нагрева­

ли до температур, превышающих температуры плавления кри­

сталлизующихся полимеров (для образцов, покрытых ПЭВП

и ПВБ, температура поверхности поддерживалась в пределах

мостям для образцов, покрытых слоем дисперсных полимеров. Влияние поверхности субстрата сказывается до значительных

(до 1,2 мм) толщин полимерного слоя. Минимальная толщина

полимерного слоя, при которой начинает выполняться условие

н~прозрачности тепловому потоi<у, возрастает в ряду ПТ, ЩЭВП, ПКА, ПВБ.

: Приведенные результаты получены в диапазоне длин волн 4,5...6,5 мкм, в котором поJшмерные материалы наиболее про­ ннцаемы для теплового излучения. В то же время для поли­

меров характерно избирательное поглощение электромагнит-

176

нога излучения в отдельных узких зонах (полосах) ИК спект­ ра. Это обстоятельство открывает принципиальную возмож­

ность подбирать источники и режимы излучения, генерирую­

щие оптимальный диапазон волн, наиболее полно поглощае­ мых полимерным материалом. Так, для формирования ПОI<ры­

тий из ПВБ рекомендуют использовать излучатели, имеющие температуру поверхности 1073 К, при которой в спектре излу­

чения преобладает длина волны 2,7 мкм, характерная для

спектра поглощения полимера [343].

Таким образом, наличие на поверхности твердого тела

слоя полимера приводит к интенсификации теплообмена в

условиях конвективной и радиационной теплопередачи, что

СI<азывается на темпе и уровне нагрева систем в процессах

термической обработки. Особенно существенно изменяется излучательная (поглощательная) способность поверхности, приводящая к увеличению до 80% вклада лучистой составля­ ющей сложного теплообмена [125].

6.3.ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНФРАКРАСНОГО НАГРЕВА

Всвязи с освоением отечественной промышленностью вы­ пуска высокоинтенсивнЫх ИК источниковкварцевых ламп

расширилось использование радиационного нагрева в различ­

ных отраслях техники. В технологии лакокрасочных покрытий ИК нагрев дает дополнительное преимущества, так как по­ зволяет изменить механизм сушки покровнога слоя. Излучение

проникает через лакокрасочный слой к подложке и нагревает

ее, что приводит к совпадению температурного градиента и

концентрации паров растворителя. В результате радиацион­

ная сушка осуществляется в 10-15 раз быстрее, чем конвек-' тивная, а покрытия обладают большей прочностыо и адгезщ~й

кподложке [123, 193].

Втехнологии КМП использование ИК нагрева остается в

ряде случаев проблематичным. В частности, до сих пор нет

четких представJJений о рациональном способе нагрева при нанесении слоя полимера на большие поверхности, изделия сложной конфигурации, отсутствуют рекомендации по опти­ мальным толщинам полимерного слоя, термообработку кото­

рого целесообразно осуществлять ИК нагревом, и др. Инфракрасный нагрев отличен по своей природе от осталь­

ных способов теплопередачи тем, что если облучаемое тело в

какой-то мере прозрачно для ИК лучей, то их поток проникает

через поверхность и зона максимального нагрева может нахо­

диться внутри тела. Удаленность этой зоны от поверхности за­

висит от поглощающей способности вещества и спектрального

состава потока. Положение зоны максимального нагрева (тем­ пературы) зависит также от свойств окружающей среды. Так,

если среда холоднее поверхности тела, то нагрев замедляется·

177

в результате теплопередачи (теплопотерь) к среде и зона ма­ ксимального нагрева сдвигается внутрь облучаемого тела.

Несмотря на то что воздух теплопрозрачен для лучистого по­

тока, он оказывает заметное влияние на эффективность ра­ диационной теплопередачи. Чем меньше перепад температур

между воздухом и облучаемой поверхностью, тем равномернее

нагрев тела [36, 119].

С теплотехнической точки зрения максимальный эффект ИК нагрева достигается в том случае, когда наибольшая часть

падающего излучения поглощается системой, т. е. необходимо стремиться I< согласованию спектральных областей поглоще­ ния обрабатываемых поверхностей со спектральными харак­

теристиками излучения ИК источников.

В исследовании процесса получения покрытий из порошков

полимеров при инфракрасном нагреве [ 147] дан общий анализ

пленкаобразования н показано, что наиболее благоприятный

режим нагрева обеспечивается выбором излучателя с требуе­

мыми спектральными свойствами и мощностью. Дополнитель­

но к спектральным свойствам рекомендуется принимать во

внимание технологические характеристики источников, в част­ ности инерционность и равномерность тепловых полей.

Предпочтение отдается ламповым высокотемпературным

излучателям, которые обладают наименьшей инерционностью

и способны создавать высокие плотности облучения. В работе

также сформулирована математическая модель процесса фор­

мирования покрытий при ИК нагреве, который представлен в виде двух последовательных стадий: первая стадия - прогрев·

верхнего слоя порошка до расплавления за счет падающего

излучения; втораяпродвижение фронта плавления от на­ ружной поверхности к подложке.

Такая кар1.:ина наблюдается, но лишь для больших тол­

щин полимерного слоя и высоких значений плотности излуче­

ния. Однако подобное ведение процесса является нерациональ­ ным по ряду причин. Во-первых, верхний расплавленный слой

блокирует нспроплавленный материал в нижележащих слоях, что затрудняет теплопередачу в субстрат и удаление газовых включений, приводит к деструкции расплавленного слоя. Во­

вторых, усадка дисперсного полимера при монолитизации,

превышающая двукратное уменьшение объема, приводит к

деформации пленки расплава или ее разрыву. В-третьих, ад­

гезионное взаимодействие в такой системе затруднено.

Для дополнительного исследования эффективности ИК на­ грева использовали источнюш КГ-220/1000, генерирующие поток лучей в диапазоне 0,7.. .4 мкм с максимумом излучения 1,1 ... 1,4 мкм, собранные в панель, содержащую три лампы, и

панель темного излучения (температура поверхности 81 О К.

подводимая мощность 1200 Вт). В связи с тем что плотности

лучистого потока для принятых источников были существенно

178

различные (для КГ-220/1000 42 600 Вт/м2 , а для паиели тем­ ного излучения 15 000 Вт/м2 ), провести абсолютное сравнение

не представлялось возможным. Эффективность нагрева оце­ нивали коэффициентом полезного действия.

Нагреву подлежали образцы (стальные пластины разме­

ром 250Х200 мм, толщиной 0,7 и 5 мм) без полимерного слоя

и покрытые слоями ПЭВП и ПВБ. Дисперсные полимеры на­

носили в электростатическом поле, толщину осажденных сло­

ев варьировали в пределах 0,2... 0,5 мм. Расстояние ИК источ­ Iшков от поверхности нагрева (образцов) было выбрано в

предварительных экспериментах и выдерживалось в пределах

50+2 мм, при этом регистрировали время достижения образ­

цом постоянной температуры 500 К.

Количество тепла, затрачиваемое на нагрев металлических

образцов, оценивали из выражения

(6.12)

где тммасса образца; Смудельная теплоемкость метал­

ла (для стали принимали См=500 Джt (кг· К)); Тптемпе­ ратура нагрева; Т0 - исходная температура. Количество вы­

деленной тепловой энергии (для ламп- Q ~, для панели тем­ ного излучения- Q~) за время нагрева образцов до темпера­

туры Тп

ков (1]'=0,76 для лампы, установленной в фокусе параболи­

коэффициент полезного действия для каждого случая

(6.15)

Данные экспериментального исследования представлены в тг.бл. 6.1. Видно, что во всех случаях наличие на поверхности

металла слоя полимера приводит к повышению эффективно­

сти нагрева образцов, что связано с увеличением эффективно!!

степени черноты облучаемой поверхности. Общей закономер­ ностью (для условий эксперимента) является повышение эф­ фективности нагрева для системы, имеющей меньшую тепло­ емкость субстрата. Влияние спектральных характеристик источников излучения для массивных (толщина 5 мм) подло-

179

Т а блиц а 6.1. К оценке эффективности инфракрасного нагрева

Размер пластин. 250Х200ХО,7 мм

Размер пластин. 250Х200Х5,0 мм

жск и полимерных слоев толщиной более 0,5 мм заметно не

проявляется. Во-первых, при таких толщинах полимерного

слоя система поглощает практически все падающее излучение

независимо от его спектрального состава. Во-вторых, низкая

плотность радиационного потока источника темного излуче­

ния вызывает увеличение времени нагрева образцов до за­ данной температуры, что неизбежно приводит к повышенным

теплопотерям. Однако для нетеплоемких подложек, покрытых

слоем полимера, время нагрева существенно уменьшается и

роль спектральных характеристик источников нагрева стано­

вится заметной. Коэффициент полезного действия источника темного излучения (максимум излучения в диапазоне 3.. .4

мкм) в этом случае оказался более высоким, чем источников

светлого излучения.

Представлялось интересным оценить величину теплопо­ терь для рассматриваемых условий. Конвективные потери в

процессе нагрева можно описать выражением

где аикоэффициент конвективного теплообмена; F - сум­ марная (участвующая в теплообмене) поверхность образца;

Терсредняя температура поверхности (в первом приближе­

нии считаем прогрев монотонным, тогда Тср=(Ти+То)/2).

180