Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. Т

жения каналов подачи сжатого воздуха и порошка, при кото­

ром частицы полимера не могут осаждаться на заземленном

электроде, представляющем собой перфорированную пло­

скость. Воздушный поток, проходя через него, препятствует

осаждению заряженных частиц на заземленном электроде.

Очистка коронирующих электродов от осажденных частиц

также способствует повышению стабильности электроосажде­

ния за счет сохранения характеристик коронного разряд<~ н<t

Рис. 7.5. Схема зарядиого устройства: 1 - игольчатый короиирующий электрод; 2 - заземленный электрод; 3 - канал подачи

ворошка; 4 -канал подачи воздуха

.......

исходном уровне. В работе [283] это достигается за счет не­

прерывного обдува электродных игл сжатым воздухом, посту­

пающим к ним по каналам под угJiом к оси электродов.

Представляет интерес подход к проблеме повышения эф­

фективности заряжения, который состоит в электрической изоляции полимерным покрытием нерабочей части корониру­

ющего электР.ода, за исключением острия [280].

Помимо системы массивный заземленный элеюродко­

ронирующая игла имеются другие конструкции электродов с

внутренней зарядкой порошков. В ч<tстности, в работах [266, 267] предложено использовать генерирование коронного-раз­

ряда обоих полярностей от двух игольч<tтых электродов с ост­ рием различной кривизны, что способствует зажиганию раз­

ряда при меньших потенциалах, чем по традиционному мето­

ду. На рис. 7.6 представлена схема устройства для реализации этой цели. ПорошОI< 2 в потоке транспортирующего газа про­ ходит через зону б коронного разряда, где существуют в

5

Рис. 7.6. Схема зарядного устрой­

ства: 1 -корпус; 2 - порошок; 3, 4 - коропнрующие электроды разноименной полярности; 5 -

источник высокого напряжения;

б, 7 - ионные потоки разноимен­

ной полярности; 8 - канал подачи

порошка

Г!В

201

основном ионы полярности, которая создается электродом 3, имеющим острие меньшей кривизны, чем электрод 4. Ионный

поток 7 противоположной полярности сконцентрирован в гор~.

лавине и не оказывает значительного влияния на процесс за­

ряжения. Этот метод обеспечивает повышенную эффектив­

Iюсть осаждения при нанесении полимерных слоев большой

толщины.

Стабильность процесса заряжения дисперснь~х полимеров

может быть повышена за счет предварительнон ионизации

транспортирующего газа [325]. Имеется несколько вариантов

технического решения этой задачи. В частности, в работе

[324] это достигается путем расположения электродной систе­

мы в юшале подачи газа-носителя с последующей дополни­ тельной подзарядкой полимерных частиц при их смешении с

ионизированным воздухом. В работе [295] такой подзарядки

не требуется: предварительную ионизацию газа осуществляют

в зарядной камере, установленной коаксиально эжекторной системе забора дисперсного полимера из питателя, представ­

ляющсго собой камеру с псевдоожиженным полимером.

Размещение зарядных устройств за пределами распыли­ теля способствует повышению безопасности процесса нанесе­

ния. Эта цель достигается в работе [290] за счет размещения зарядного устройства в выходном патрубке эжеi<торной си­

стемы.

Распылители с внутренней зарядкой при расположении

зарядного устройства непосредственно в корпусе распылителя

обеспечивают и внешнее электрическое поле, возникающее между коронирующим электродом и обрабатываемым издели­

ем, которое обусловливает перенос и осаждение частиц. Когда

напряженность этого поля недостаточна для электроосажде­

ния полимера с заданной скоростью, можно использовать до­ полнительный высоковольтный электрод, установленный на

выходе распылителя [165]. Такая конструкция распылителя объединяет эффект внутренней зарядки с особенностями пе­

реноса и электроосаждения полимеров для распылителей с

внешней зарядкой.

Развитие методов нанесения дисперснЬiх полимеров с по-· 11ющыо распылителей с внешней зарядкой осуществляется в

нескольких направлениях. Прежде всего следует остановиться

на вопросах, связанных с равномерным электроосаждением

дисперсных полимеров. Выбор формы рассекателя, формиру­

ющего факел или облако заряженных частиц, во многом опре­

деляет возможность достижения поставленной цели. Форми­

рование факела можно осуществлять несколькими путями: з:1 счет использования рассекателей требуемой формы [43],

пневматическим путем, например за счет расширения nоздуш­

но-порошкового потока с помощью сжатого воздуха [ 15], или за счет использования дополнительных электрических полей

202

[299]. Первый путь является довольно эффективным и про­

стым. По данным работы [43], для обеспечения доститочно

высокой равномерности распределения заряженных частиц на

обрабатываемой поверхности необходимо максимально осла­ бить гидродинамический эффект путем снижения скорости воздуха в факеле распылителя (особенно у поверхности изде­

лия). Установлено, что рассекатели обтекаемой формы не

обеспечиняют высокой степени равнотолщинности полимерно­ го слоя. В этом плане рассеi<атели необтекаемой формы более

приемлемы. Из исследованных форм наибольший эффект был

достигнут при использовании рассекателя в виде усеченного

I<онуса, что позволило формировать полимерный слой с наи­

более равномерным распределением по толщине.

Примером реализации принципа формирования формы фа­

кела распыляемого полимера с помощью сжатого воздуха

может служить дисковый распылитель [343], направляющий

воздушно-порошковый поток в радиальном направлении на

поверхность обрабатываемого изделия. А если к подобному

приему добавить наложение дополнительных электрических

полей [299] с помощью добавочных электродов, которые вли­

яют на конус факела, сжимая его сечение в эллипс, то в

этом случае можно обеспечить vавномерное электроосаждение

на металлическую ленту шириной до 1500 мм.

Отметим, что основным способом подачи порошка к изде­

лию является его транспортировка с помощью сжатого воз­

духа. Однако имеются и другие приемы, применение которых

связано со спецификой процесса или особенностями формы из­ делий, в частности гравитационные, центробежные, вибраци­ онные, а также способы, связанные с воздействием дополни­

тельных элеl\трических полей [15] .

При употреблении распылителей, работающих по прннци­

пу внешней зарядки, необходимо обеспечить минималыiЬiе по­

тери в высоковольтных коммуникациях, соеди11яющих генера­

тор и распылитель. В настоящее время широко н успешно

развивается направление, где используются генераторы,

встроен11ыс в распылитель [ 127] Этот путь исключает необхо­ димость применения высоковольтных кабелей. Один из конст­

руктивных вариантов включает в себя зарядный электрод в

виде иглы, расположенной на выходе распылительной голов­ ки, который связан с множительным каскадом и трансформа­

тором, размещенными в корпусе распылителя.

Эффективная эксплуатация распылителей с внешней за­ рядкой !Iеразрывно связана с необходимостью повышения безопасности процесса, прежде всего за счет устранения воз­

можности искраобразования при случайном сближении коро­ нирующего элемента с обрабатываемым изделием. Для этого применяется комплекс мероприятий, предусматривающих

автоматическое снижение величины потенциала и силы тока,.

203

вплоть до отключения,, при приближении распылителя к изде­

лию [127].

Как преимущества, так и недостатки распылителей с три­

базарядкой (по сравнению с упомянутыми видами р.аспыли­ телей) обусловлены отсутствием внешних электрических по­ лей при заряжении дисперсных полимеров. Основное направ­

ление конструктивного совершенствования распылителей с

трибозарядкой состоит в повышении эффективности заряже-

7

2

Рис. 7.7. Схема устройства для трибоза­

рядкн: 1 - штуцер для подачи воздушно­ порошкового потока; 2 - внешняя непо­ движная труба; 3 - внутренняя подвижная труба; 4, 5 - спирали; б, 7 - фланцы

ния частиц полимеров. Это достигается за счет интенсифика­ uии контактного взаимодействия частиц с поверхностями за­

рядных элементов, в качестве которых используют насадки и

технологические коммуникации (транспортирующие трубо­

проводы), а также специальные контурьr.

Первый подход характеризуется непрерывностью процесса

электроосаждения. При прохождении через насадки и по транспортирующим трубопроводам частицы приобретают не­

I<аторый заряд и с помощью распылителя осаждаются на за­

земленном изделии. В этом случае интенсификацию контакт­

ного взаимодействия можно осуществить, например, враще­

нием отдельных участков трубопровода, по которому движется

порашок [284], или же повышением степени турбулентности

воздушно-порошкового потока в части трубопровода, имею­

щей увеличенный диаметр [15], а также за счет придания по­ току вращательного движения [234].

На рис. 7.7 представлена схема устройства, в котором ча­

стицы заряжаются, проходя по спирали между двумя кон­

иентрически расположенными трубами из диэлектрика, одна

из которых (3) вращается. По данным работы [294], эффек­

тивность заряжения усиливается благодаря скользящему и

диффузионному разрядам с поверхности внутренней трубы. Между тем, если зарядные элементы выполнены из ди­

электрических материалов и на их стенках накапливаются

значительные заряды, которые периодически релаксируют в

виде разряда, этот эффект обусловливает нестабильность про­

цесса заряжения дисперсных полимеров. Во избежание этого

наружные поверхности зарядных элементов покрывают элект­

ропроводным слоем и заземляют их [ 189, 196].

204

Возникающую в процессе длительной эксплуатации воз­

можность локального разрушения стенок зарядных элементов

вследствие их сквозных пробоев или скользящих разрядов в работе [292] предложено устранять, выполняя в стенках

сквозные отверстия и заполняя их электропроводным слоем, связанным электрически с наружным заземленным слоем.

Вработе [291] предложен другой вариант устранения этого

эффекта: рабочую поверхность зарядного элемента покрыва­ ют полимерным слоем, содержащим диспергированный элект­

ропроводный материал, и заземляют.

Второй подход, основанный на использовании дополни­

тельных контуров, характеризуется периодичностью действия.

Взамкнутом контуре воздушно-порошковый поток циркули­ рует до тех пор, пока частицы не приобретают достаточного

заряда. После этого контур связывают с емкостями, в кото­

рых размещают заземленное изделие, или же непосредственно

сголовкой распылителя [15].

Вряде случаев накапливание зарядов на металлических

стенках r<Онтура при непрерывной циркуляции по нему воз­

душно-порошкового потока используют для создания высоко­

вольтного потенциала в распылителе или на электродах камер

псевдоожижсния [ 15].

Имеются сведения [15, 53] и о других подходах, направ­

ленных на повышение эффективности заряжения дисперсных

полимеров. В частности, трибоэлектризацию совмещают с

другим видом заряжения (обработкой трибазаряженных ча­ стиц в поле коронного разряда той же полярности) для повы­

шения величины заряда и увеличения содержания одноименно

заряженных частиц.

Для обеспечения стабильности заряжения дисперсных

полимеров (независимо от типа распылителя и вида з-аряже­ ния частиц) необходима четt<ая дозировка при подаче порош­ I{а в распылитель, что особенно важно при работе в автома­

тическом режиме. Дозирующие устройства должны обеспечи­

вать стабильную подачу дисперсного полимера к распылителю

с возможностью регулирования расхода полимера и скорости

воздушного потока в широких пределах. Таким требованиям

отвечают эжекционные системы, которые находят наиболь­

шее применение в электроструйных процессах [15, 188, 243]. В качестве питателей в большинстве случаев используют ка­ мерные устройства с псевдоожиженным слоем полимера [15, 127]. Псевдоожижение осуществляют в них известными мето­

дами: вибрацией, сжатым воздухом и их совместным действи­

ем. Имеются разработки [ 15], в которых питатель, представ­

ляющий собой I{амеру псевдоожижения, располагают на кор­ пусе распылителя. Тогда дозировку порошка осуществляют

через фильтр посредством пневматического вибратора.

К.ак отмечалось, формирование электроосажденного СJ1ОЯ

205

в воздушно-порошковом потоке обусловливает существенный разброс по толщине (50% и более). Возможность использова­

ния изделий, имеющих покрытня с таким уровнем равнотол­

щинности, зависит от требований, предъявляемых к ним. И хотя имеется много примеров изделий, для которых такие характеристики полимерного слоя приемлемьr, общий подход состоит в уменьшении разброса по толщине, в том числе и за

счет наращивания слоя полимера в труднодоступных местах.

В р.нде сJiучаев зту задачу можно решить при создании до­ полнительных полей (помимо основного поля, действующего

между распылителем с внешней зарядкой и изделием). В ча­

стности, размещение у задних кромок изделия дополнитель­

ного электрода с подачей на него высоковольтного потенциа­

ла, полярность которого противоположна полярности потен­

циала на распылителе, обеспечивает надежное укрытие кро­

мок полимерным слоем [235, 24 7]

Имеются примеры повышения стабильности электроосаж­

дения за счет изменения конфигурации основного электриче­

ского поля. В работе [195] для обеспечения равномерности

распределения порошка в факеле распыления распылитель

снабжают насадкой из высокоомного диэлектрика. Интенси­

фикация процесса электроосаждения может быть достигнута

за счет фокусировки электрического поля путем установленин

на пути движения частиц от распылителя к изделию зазем­

ленного обруча или рамьr [242].

Для нанесения дисперсных полимеров на крупногабарит­

ные изделия сложной rшнфигурации в автоматическом режи­

ме используют автономные установки [ 127], снабженные группой распылителей с различной системой зарядки. При

нанесении композиционных составов с электропроводными и

диэлектрическими наполнителями электростатические распы­

лители чередуют с пневматичесrшми [248], что повышает ка­ чество осажденных слоев. При необходимости электроосаж­

дения слоев с разноименно заряженными частицами распыли­ тели подключают к разноименным источникам, расположен­

ным в камере напыления по ходу движения транспортера с

обрабатываемым изделием [257, 343]. В ряде случаев задача

повышения качества покрытий на изделиях сложной конфигу­ рации решается в результате их обработки во встречных по­

токах одноименно [273] или разноименно заряженных частиц.

7.2.3. Методы получения КМП

с использованнем псевдоожиженного слоя заряженных частиц

Основным элементом устройств для получения КМП по этому

методу является камера для псевдоожижения (вихревого,

вибрационного или вибровихревого типа) дисперсных поли-

206

мсров, оснащенная электродной системой, и вспомогательные камеры различного назначения (наддува, заряжения или э.11ектроосаждения) в зависимости от решаемой задачи. При

рассмотрении многочисленных устройств камерного типа сле­ дует выделить две основные группы технологического обору­ дования, с помощью которого обрабатывают различные по

размерам подложки: дискретные (нанесение дисперсных по­

лимеров на изделия, размеры которых позволяют располо­

жить их в камере) и непрерывные (имеющие большие величи­ ны соотношения их длины к диаметру (проволока) или длины

иширины к толщине (фольга, ткань, лента, жгут)). Описание

ианализ оборудования для получеhия КМ на непрерывных

подложках выделсны в отдельный параграф.

К первой группе относятся устройства, наиболее простая и

типичная схема одного из которых представлена на рис. 7.8.

7

изделие

207

Совместным действием вибрации и газа полимер переводят в псевдоожиженное состояние. На электродную систему пода­ ют высоковольтный потенциал, а заземленное изделие фш<си­

руют над слоем (реже в слое). Не исключается вариант по­

дачи потенциала на изделие и заземления электродной си­

стемы.

Имеется несколько основных схем процесса нанесения ди­

сперсных полимеров на изделия, размеры которых ограничены

объемом камеры псеидаожижения (или другой камеры).

Наиболее распространена схема, когда заряжение, перенос и электроосаждение заряженных частиц на обрабатываемое изделие происходят в одной камерекамере псевдоожиже­

ния. Электрическое поле между высоковольтным электродом

и заземленным изделием оказывает определяющее влияние на

параметры заряжения и переноса, а также на характеристики

электроосажденного слоя. Конфигурация и расположение электродной системы во многом обусловливают равнотолщин­ I-юсть полимерного слоя на поверхности изделия. Чаще всего

электроды выполняют в виде сетки, системы параллельных

проводов, перфорированного листа. Для изделий простой фор­ мы наиболее распространенным является расположение элек­ тродной системы в нижней части камеры псевдоожижения­

у пористой перегородки (в ряде случаев она выполняет роль электрода) .

При обработке крупногабаритных изделий равномерность

электроосаждения частиц можно улучшить за счет установ­

ления на стенках камеры заземленных электродов (помимо

того, что заземлено изделие), обеспечивающих рассеяние ча­

стиц и более равномерное электроосажденис на изделии

[264]. Для крупногабаритных изделий, имеющих небольшую

толщину, эффективным оказывается расположение высоко­ rюльтных электродов в стенках камеры (при постоянной на­ пряженности поля) [94] или у ее стенок (с возможностью изменения напряженности поля по высоте камеры) [273]. На

рис. 7.9 представлена схема для нанесения покрытий на галь­ ваноподвески. При длительной эксплуатации установки или

необходимости нанесения покрьпий большой толщины· не со­

ставляет сложности менять знак потенциала, подаваемого на

эдектроды.

Особенность второй основной технологической схемы со­

стоит в том, что заряжение и электроосаждение частиц осуще­

ствляют в различных камерах.. Одна из главных задач подоб­

ного разделенияснизить напряженность поля в зоне осаж­

дения и тем самым способствовать формированию полимер­

ного слоя в таких труднодоступных местах, как внутренние

поверхности, глухие полости и отверстия [232, 276] . Нередко

осуществляют предварительную ионизацию псевдоожижаю­

шего или транспортирующего агента, что позволяет стабили-

208

зировать процесс заряжения частиц полимера за счет сущест­

венного ослабления влияния структурных характеристик по­

тока полимера или его псевдоожиженного слоя (плотности,

дисперсного состава и др.) на величину заряда частиц. Для

этого высоковольтные электроды выносят за пределы камеры

псевдоожижения, например в камеру наддува [261, 287] . Эф­

фективность ионизации зависит от площади контакта корони­ рующих элементов с газом-носителем (чаще всего с возду­

хом). Поэтому узел ионизации изготавливают из пористого· металла [243], тканой металлической полосы [244] или на­ бивки из волокон [265], а также в виде игольчатых [220] или круглых [218] щеток. Размещение коронирующих элек­

тродов за пределами камеры псевдоожижения преследует и другую цель - исключить возможность возникновения искро­

вого или дугового разряда в массе дисперсного полимера.

В этой схеме промежуточную стадиюперенос заряжен­

ных частиц из одной камеры в другуюосуществляют по-раз­

ному: за счет естественного перетока [276, 289], с помощью· механических [263] или пневмотранспортеров [15], а также под действием дополнительных электрических полей [321].

Проблема обеспечения равнотолщинности полимерного·

слоя на изделиях связана также с поддержанием заданных

режимов на всех стадиях процесса и в конечном счете с обес­

печением высокого качества покрытий. Важным условИем

стабилизации параметров электрического поля является под­

держание электродной системы в стабильном состоянии. Для

предотвращения накапливания и экранирования заряженны­

ми частицами электродов их делают воздухопроницаемыми и

подают через них сжатый воздух [286, 293]. Эта же цель до­

стигается, если пористый листовой электрод выполняет роль

перегородки между" камерами псевдоожижения и наддува

[243]. В работе [270] для эффективной очистки электрода за

пределами камеры псевдоожижения его выполняют в виде

бесконечной ленты. Неуправляемое изменение параметров

э.lеi{ТрИческого поля может вызвать слой порошка, электро­ осажденный на стенках камеры. Избежать накапливания по­

рошка на стенках камеры можно, сделав их воздухопроница­

емыми или снабдив пористыми перегородками [ 15], через ко­

торые подают сжатый газ.

ВС)жную роль играет высота пссвдоожиженного с.rюя над электродом. Для ее стабилизации имеется два подхода. Пер­

вый характеризуется тем, что фиксируются положение элект­

рода и оптимальная высота с.'юя над ним, которая поддержи­

вается постоянной. Например, в работе [288] для этого при­

меняют питатель, представляющий собой часть камеры псевдоожижения, отделенной от ее рабочей части перегород­

кой и снабженной устройством для обеспечения заданной вы­ соты псевдоожиженного слоя. Второй подход отличает фикса-

209

ция только оптимальной высоты слоя над электродом (уро­ вень самого слоя может меняться). Для этого используют поплавковые систеl'I!Ы с электродной подвеской [297, 298],

плавающие на поверхности псевдоожиженного слоя, или дру­

гие приспособления [15], изменяющие положение электрода

в зависимости от уровня слоя.

Большое внимание уделяется дозировке дисперсного поли­

мера как одному из факторов обеспечения стабильности про­ цесса, о чем свидетельствуют разнообразные приемы ее обеt.:­

печения. Дозировку производят с помощью щелевых устройств

нии по расположенному под углом листу предв<1рительно за­

ряженные частицы под действием гидродинамических сил от­

рываются от него и осаждаются на подло:жку. Этот прием по­

зволяет исключить влияние внешнего поля па характеристики

электроосажденного слоя. Для интенсификации осаждения

дозировочный лист заставляют вибрировать, подавая на него высоковольтный потенциал [ 15, 326].

7.3. МЕТОДЬI Н СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЕ О&ОРУДОВАННЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕПРЕГОВ КМ

НА ОСНОВЕ НЕПРЕРЬIВНЬIХ ВОЛОКННСТЬIХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ

Методы нанесения дисперсных полимеров на непрерывные во­

локнистые (в виде жгутов, лент и тканей) наполнители, ис­

пользуемые для получения препрегов, находят все большее

применение при создании КМ конструкционного назначения [84, 92, 95]. )Кеспше требования к качеству препрега (раз­

брос содержания связующего по длине и ширине наполнителя

не должен превышать +2 ...5 мае.%) обусловливают необхо­

димость выбора оптимальной технологической схемы, обеспе­ чивающей эффективное регулирование технических характе­

ристик препрега с помощью технологических параметров

процесса. В этом плане псевдоожиженный слой, в котором

частицы полимера в обширной зоне, ограниченной лишь зада­

ваемыми размерами, имеют в целом квазиоднородные гидро­

динамические характеристики, занимает особQе место в тех­

нологии КМ. Различные варианты сочетаний исходных

компонентов, охватывающие широкую гамму дисперсных по­

лимерных связующих и различные типы наполнителей (ткани,

ленты, жгуты, ровинги), укладываются в несколько техноло­ гических схем [338].

Из них наибольшее распространение имеют представлен-

210