Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. Т

ные на рис. 7.1 О схемы процессов одно- и двухстороннего

электроосаждения связующего на ленточный (или тканевый)

наполнитель. Для электропроводных наполнителей, имеющих толщину более 0,5 мм, целесообразным является процесс двух­

стороннего электроосаждения связующего. Эта схема имеет свои особенности (при наличии высоковольтного и заземлен­

ного электродов в виде системы проводов, расположенных по

обе стороны от наполнитеJ1я). В случае электропроводного

наполнителя на его проти-

воположные поверхности а

осаждаютсн одноименно за­

ряженные частицы связую-

щего (рис. 7.10, а). В слу-

чае диэлектрического на­

полюпеля (или изолиро­ ванного электропроводного)

осаждаютсн разноименно

заряженные частицы (рис. 7.10, 6). Для препрегов на

основе армирующих напол­

нителей толщиной менее

0,5 мм (как электропровод­

ных, так и диэлектрических)

нужного содержания связу­

ющего можно достичь по

данные табл. 7.5, в 1юторой сопоставлены некоторые харак­

теристики слоя связующего (полисульфона), электроосаж­

денного на углеродный наполнитель по схемам одно- и двух­

стороннего электроосаждения. При двухстороннем осажДении

предельно возможные массовые характеристики связующеГо

значительно выше (при меньшей величине удельного заряда), чем при одностороннем. При этом величина потенциала внеш­

него поля в меньшей степени отражается на величине заряда

частиц на наполнителе, чем в случае одностороннего электро­

осаждения. Это связано со спецификой электромассопереноса

по приведеиным схемам: при горизонтальном размещении на--

211

Т а б л и u а 7.5. Влияние технологических параметров на некоторые

характеристики препреrов углепластиков

полнителя (одностороннее осаждение) перенос заряженных

частиц осуществляется только за счет сил электрического по­

ля, в то время как при вертикальном (двухстороннее осажде­ ние) помимо электрических действуют гидродинамические си­

лы, возникающие при псевдоожижении.

Важную роль в обеспечении необходимой массы электро­

осажденного полимера играет состояние псевдоожиженного

слоя. Данные табл. 7.6 получены по схеме двухстороннего

электроосаждения дисперсного связующего (полиаминоими­ да) на ленту электропроводного наполнителя [356] в режиме

вихревого псевдоожижения. Наряду с анализом массового со­ става получаемого препрега целесообразно рассматривать и

степень равнотолщинности нанесенного слоя; поскольку эта

характеристика позволяет глубже оценить роль псевдоожи­

женного слоя. При низкой скорости фильтрации через пори­ стую перегородку псевдоожижающего агента (до 0,015 м/с) наблюдается псевдоожижение, характеризующееся. высокой

плотностью псевдоожиженного слоя (коэффициент расшире­

скорости фильтрации 0,03 ... 0,04 м/с) с I<Оэффициентом расши­ рения слоя в пределах 1,3.. .1,6 массовые характеристики име­ ют высокие значения (до 80 мае.% связующего), а равнотол­

щинность препрега достигает оптимальных значений. При

больших скоростях фильтрации (0,05 м/с и выше), когда реа­

лизуется режим уноса порошка из камеры псевдоожижения,

массовые характеристики сохраняются на достаточно высоком

уровне, однако нестабильность псевдоожижения ведет к очень

низкой степени равнотолщинности препрегов.

Основным направлением обеспечения жестких требований

!{ составу препрега является поддержание стабильности про­

цесса электроосаждения (при усло.вии преимущественно уни-

212

полярного заряжения частиц полимеров), что достигается при

управленин параметрами электрического поля. Имеется не­

сколько технологичесiЦIХ приемов реализации этого направле­

ния. Один из них состоит в применении квазиоднородных полей

с постоянной напряженностью в зоне электроосаждения или

всоздании электрических полей такой конфигурации, чтобы поверхность наполнителя являлась эквипотенциальной И{IИ ее

впоперечном направлении пересекали эквипотенциальные по­

верхности. Имеется несколько вариантов этого приема.

Первый из них состоит в получении препрегов КМ путем

одностороннего нанесения связующего просыпаннем его элект­

розаряженных частиц через электродную систему, выполнен­

ную в виде вибролотка [281] или вибрирующей сетки, на за­

земленную ленту наполнИтеля с последующим закреплением

связующего за счет его оплавления при термообработке пре­

прега. На рис. 7.11 представлена схема устройства, содержа­

щего электродную сетку с ячейкой, размер которой в 5-10 раз превышает диаметр частиц связующего. При всей простоте

этого варианта весьма сложным является обеспечение )Зысо­

кой степени равнотолщинности распределения частиц на по­

верхности и особенно в объеме наполнителя и управления про­

цессом, поскольку в осаждении принимают участие частицы

с широким спектром величин заряда. Наряду с этим значи-

Рис. 7.11. Схема устройства для получения прспреrов: 1 - барабан с лен­ той наполнителя; 2 - экран; 3 - металлическая сетка; 4 - дозатор; 5 - источник высокого напряжения; б- термокамера; 7 - прижимные валки;

8 - барабан с препреrом

213

тельное влияние оказывает конструкция дозирующего устрой­ ства или питателя, а также характеристики частиц (дисперс­ ный состав, агломерирующая способность и др.).

В вариантах получения препрегов путем одноили двух­

стороннего нанесения связующего электроосаждением его за­

ряженных частиц из псевдоожиженного слоя харщ\теристикн

распределения электроосажденных частиц в наполнителе в.

основном зависят от параметров электрического поли (пра

1~ t

2

Рис. 7.12. Схема устройства для получения преnрс­ гов: 1 - камера псевдоожижения; 2 - заземленный электрод; 3 - лента наполнителя; 4 - высоковольт­ ный электрод; 5 - пористая перегородка; б- камера

наддува

условии соблюдения постоянства других технологических фак­

торов). В устройстве, схема которого представлена на рис. 7.12 [287], лента наполнителя огибает заземленный электрод ци­

линдрической формы. Квазиоднородное поле обеспечивается тем, что высоковольтный электрод и пористая перегородка

камеры псевдоожижения повторяют форму осадительного

электрода и расположены соосно с ним.

Наиболее простой способ создания квазиоднородного поля

реализован в устройстве, представленном на рис. 7.13: лента

наполнителя и электродная система расположены в горизон­

тальной плоскости. В устройствах, предназначенных для по­

лучения препрегов по схеме двухстороннего электроосажде­

ния, эта задача решается также довольно просто: лента на­

полнителя движется в вертикальной плоскости между двумя

электродными системами, также располагающимиен в верти­

кальной плоскости [92]. Как показывают результаты экспери­

ментов, краевые эффекты не вносят существенного вклада в показатели равнотолщинности, если ширина электродной си­

стемы соответствует ширине заземленного экрана и превы­

шает на 5... 1О% ширину ленты наполнителя.

Как уже отмечалось, электрические характериспши частиц

в псевдоожиженном слое далеко не одинаковы. Это обуслов­

лено прежде всего полидисперсностью полимерных пороцшов

(в реальных процессах используются полимеры дисперсностью до 200 1мкм, а в отдельных случаяхдо 250 мкм). Это обстоятельство обусловливает сепарационные эффекты, происходя-

214

щие в псевдоожиженном слое, что в свою очередь определяет пути оптимизации процессов нанесения частиц связующего.

Эти эффекты имеют существенное значение при получении

препрегов, поскольку размеры частиц соизмеримы с размера­

ми различных структурных элементов наполнителей.

При использовании схемы одностороннего электроосажде­

ния связующего на поверхность наполнителя следует учиты­

вать сЛедующее. Для монодисперсного порошка стабильность

rнс. 7.13. Схема устройства длн полу•Iения препреrов в J(вазиоднородном

э.'Iсктрнчсском поле: 1 - барабан с левтой наполнителя; 2 - вибратор;

3 - камера псеnдоожнжения; 4 - камера наддува: 5 - экран; б- элект­

процесса электроосаждения и точность состава препрега свя­

заны с постоянством параметров электрического поля и харак­

теристик псевдоожиженного слоя. Для полидисперсного свя­ дующего задача сохранения стабильных характеристик элект­

роосажденного слоя связующего на наполнителе осложняется,

как правило, необходимостью безотходного использования связующего, т. е. необходимостью электроосаждения частиц

из псевдоожиженного слоя независимо от их дисперсности.

Для устранения влияния дисперсного состава на стабиль­

ность процесса используется технологическая схема, основан­

ная на применении неоднородных эле1прических полей. Отме­

тим, что определения «квазиоднородный» или «неоднородный»

достаточно условны, поскольку все электрические поля, ис­

пользуемые в технологических процессах, являются в той или иной степени неоднородными. Вместе с тем электрические

поля, имеющие градиент напряженности в направлении дви­

жения ленты наполнителя или перпендикулярно ему, способ­ ствуют возникновению условий для стабильного электроосаж­

дения частиц различных размеров.

Одним из типичных примеров подобного подхода является схема, представленная на рис. 7.14. В устройстве, работаю­

щем по принципу одностороннего электроосаждения, электрод­

ная система представляет собой набор проволочных электро­

дов, расположенных в камере псевдоожижения на различном

расстоянии от ленты наполнителя, обеспечивая положитель-

215

ный градиент напряженности поля в направлении движения ленты. Подобного же эффекта при двухстороннем электро­

осаждении можно добиться, разместив электродные системы

под углом друг к другу и наполнителю так, чтобы напряжен­

ность поля возрастала в направлении движения ленты. Под­

бирая величину градиента напряженности поля с учетом дис­

персного состава связующего можно добиться ощутимых

результатов.

3 z

Рис. 7.14. Схема установки для получения препрсrов: 1 - кю1ера псевдо­

ожижения; 2 - виGронривод; З- электроды; 4 - вытяжная камера; 5 - исто'lннк высокого напряжения; б- термокамера; 7 - барабан с наполнителем; 8 - тянущие валки; 9 - барабан с препреrом

Еще больший эффект дает использование положительного

градиента напряженности в многомодульных устройствах. В качестве примера возьмем конструкцию и принцнп работы у€тановки УЭКМ-006, разработанной для получения препрегов

КМ на основе углеродной ленты шириной до 300 мм и термо­

отверждаемых связующих. Наличие в камере псевдоожиже­ ния изолированных секций, связанных между собой каналами,

возможность независимого расположения электродов в сек­

циях, а также принудительная циркуляция связующего, ин­

тенсивность которой регулируется сечением проходных от­ верстий в перегородках камер и расположением межсекцион­ ных каналов по отношению к пористому дну, позволяют эффек­ тивно перерабатывать не только связующие монодисперсного

состава, но и полидисперсные материалы.

Установка состоит из следующих основных элементов: мо­

дуля совмещения компонентов, станции рекуперации и пульта

управления. Модуль совмещения, схематично представленный

на рис. 7.15, содержит блоки напыления 1 и термообработки 11 с общим лентопротяжным механизмом. Блок напыления включает в себя трехсекционный генератор 1 электроаэрозо­

ля связующего, оснащенный электромагнитным внбратором 2, сообщающим связующему вертикальные J{Олебания, и регули­

руемыми по высоте электродами 3; вытяжную камеру 4, соеди-

216

217-

Модульную конструкцию камеры псевдоожижения с опе"

ратинной заменой или изменением количества секций при

переналадке целесообразно использовать для получения мно­

гослойных покрытий со слоями различного функционального­ назначения. При этом можно получать многослойные мате­

риалы с четкой границей раздела между слоями или же с раз­ мытой границей за счет взаимопроникновения слоев путем

частичного перекрытия зон осаждения соседних модулей ка-

4 г

Рис. 7.16. Схема блОJ(а напыления установки УЭКМ-006М

меры псевдоожижения. Эту конструкцию также можно ис­

пользовать для наращивания толщины препрега за счет осаж­

дения слоев из разноименно заряженных частиц.

Технические возможности устройств, имеющих модульную

конструкцию камеры псевдоожижения (генератора электро­

аэрозоля), можно расширить за счет применения горизонталь­

ной вибрации I<амеры и электродов. С одной стороны, это спо­

собствует очистке электродов, с другой, позволяет эффективно

псевдоожижать плохо сыпучие, склонные к сильной агломера­

ции дисперсные полимеры. Этот тип вибрации использован в

установке УЭК.М-006М, которая представляет собой модерни­ зированный вариант модели УЭКМ-006 и имеет общие с ней

основные функциональные элементы.

На рис. 7.16 представлен блок напыления 1 модуля совме­ щения. Отличие от базовой модели состоит не только в типе

вибрации, но и в конструкциях ряда элементов. В частности, блок ВI<лючает в себя установленный на эксцентриковом виб-

218

роприводе 1 генератор электроаэрозоля в виде камеры ком­

мутации 2 и нескольких (на рис. 7.16- шести) легкосъемных

модулей 3, шнековый питатель 4 и камеру осаждения 5. Мо­

дули сообщены между собой переточными трубопроводами б

и оснащены струнными электродами 7. Первый (по ходу дви­ жения наполнителя) модуль соединен с бункером питателя

шнеком, последнийсо сливным патрубком. Вибропривод

сообщает генератору и электродам горизонтальные колебания,

конструкцня r<оторых обеспечивает возможность изменения их положения по высоте. Камера осаждения, связанная с рекупе­ рационной системой, имеет комбинированный осадительный

электрод, состоящий из элемента 8 с регулируемой темпера­ турой нагрева и пористого элемента 9 с пневмокамерой, обес­

печивающе(I гидродинамическое воздействие на ленту напол­

нителя со связующим.

БЛок термообработки дополнительно включает в себя сек­

цию импульсных средневолновых ИК излучателей.

Кроме того, установка снабжена станцией подготовки воз­

духа, содержащей блок фильтров-влагоотделителей, нагрева­

тель и пускарегулирующую пневмоаппаратуру, что обеспечи­ вает подачу очищенного от примесей и подогретого до 303...

343 К сжатого воздуха.

Модульная конструкция генератора аэрозоля обеспечива­

ет быструю переналадку оборудования при переходе с одного

на другой вид связующего, а также возможность получения

опытных партий препрегов при небольших объемах связующе­ го, что представляет интерес при разработке новых типов ком­

позиционных материалов.

Конструкция комбинированного осадительного электрода

обеспечивает дополнительные возможности регулирования рас­

пределения частиц связующего в наполнителе, что особенпо

важно для дисперсных термопластов, имеющих высокую вяз­ rюсть расплава, и наполнителей, являющихся высокоомными

диэлектриками.

Использование в блоке термообработки секции импульс­

ных излучателей позволяет значительно повысить технологи­

ческую гибкость препрегов [241].

Дополнительное механическое воздействие элеr<тродов на псевдоожиженный слой дает наибольший эффект, если элект­ роды представляют собой блок параллельных вертикальных

пластин, которые совершают колебания в горизонтальной

плоскости. Это позволяет использовать связующие компози­

ционного состава, не опасаясь сепарационных эффектов в про­ цессах их псевдоожижения. Форма, размеры и шаг размеще­

ния электродов, амплитуда и частота их r<олебаний подбира­ ются с учетом свойств связующих. Приведеиные ниже данные

по влиянию частоты колебаний электродов на некоторые ха­

рактеристики препрегов углепластиков на основе полисульфо-

219.

на свидетельствуют о существенной роли этого параметра в

обеспечении высокого качества препрегов:

электроосаждения связующего на ленту наполнителя сепара­

ционные эффекты в псевдоожиженном слое, связанные с ком­

позиционньlм составом и полидисперсностью связующего, ока­

зывают меньшее влияние на стабильность процесса. Это пре­ имущества связано с конфигурацией поля и направлением

переноса и электроосаждения частиц на ленту наполнителя.

На рис. 7.17 приведены два варианта электроосаждения по·

этой схеме в зависимости от состава связующего.

В первом варианте перенос и электроосаждение частиц на

ленту производится непосредственно в камере псевдоожиже­

ния из псевдоожиженного слоя. При использовании электри­

ческого поля с периодической переменой его направления по

ходу движения ленты происходит послойное осаждение разно­ именно заряженных частиц. Этот прием имеет наибольшую

эффективность в случае, когда осуществляют асимметричное

электроосаждение повышением частоты перемены направле­

ния полн при движении ленты наполнителя. Применеине по­

лей переменных параметров при псевдоожижении связующих двухкомпонентного композиционного состава позволяет фор­ мировать электроосажденный слой с заданным градиентом

концентрации компонентов по его толщине.

Во втором варианте перенос частиц из псевдоожиженного

слоя осуществляется механическим путем (с помощью конвей­ ерной системы) с последующим перемещением частиц сверху вниз в промежуток между лентой наполнителя и электродом и с электроосаждением на ленту. Этот прием целесообразно

использовать для композиционных связующих сложного со­

става, компоненты которых существенно отличаются по плот­

ности.

Следует выделить особенности нанесения связующего на

диэлектрические наполнители. Если электропроводящий на­ полнитель является, как правило, электродом (соответствен­

но электрическое поле создают между ним и высоковольтным

электродом), то диэлектрик играет пассивную роль в процес­ се электромассопереноса. Массовые характеристики препрегов

на основе диэлектрического наполнителя зависят не только от технологических параметров процесса, но и от величины, по­ лярности и равномерности распределения электрических заря-

220