Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. Т

Коэффициент конвективного теплообмена можно опр~де­

лить из зависимости

. ')"

l

где 'An-коэффициент теплопроводности воздуха; l - опре­ деляющий геометрический параметр (принимаем 1=0,2 м­ высота образца). Критерий Нуссельта для ламинарного ре­

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.

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

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

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:

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:

182

После интегрирования и определения постоянной интегриро­ вания из граничного условия (при у=О Vx=O) получаем вы­

ражение

о

где l - путь, проходимый расплавом за время т; Q- расход

расплава через сечение полимерного слоя, отнесенный к еди­

нице его ширины:

Используя (6.27), выражение (6.26) можно представить в виде

Тогда путь, проходимый расплавом за время т, находится из формулы

Определив постоянную интегрирования при помощи гранич­ ного условия 6(0, т) =0, получим

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

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

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

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

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·

лет-распылитель

190