Композиционные материалы и покрытия на основе дисперсных полимеров. Т

дав на поверхности наполнителей, обусловленных их те~ноло­ гической предысторией. Если исходные локальные заряды (по

абсолютной величине) отличаются не более чем на 5· I0-6 Кл/м2, то устранить их влияние на равнотолщинность препре­

гов можно, усилив электростатическое взаимодействие компо­

нентов за счет увеличения напряженности внешнего поля до

200...500 кВ/м. На рис. 7.18 представлена схема устройства, в

котором увеличение напряженности в камере псевдоожижения

обеспечивается использованием вспомогательной металличе­

ской лентвr, играющей роль осадительного электрода, которую

пропускают между двумя лентами наполнителя.

Если же разница по плотности исходных зарядов превы­ шает указанную величину, то необходима их нейтрализация,

которую можно осуществить различными путями: коронным

Б

221

разрядом, у-нейтрализаторами, обработкой поверхности элект­

ропроводящими адгезивами и дР-

И, наконец, следует отметить так называемый ротапринт­ ный метод нанесения, сущность которого состоит в подаче за­ ряженных частиц на вспомогательную (промежуточную) под­ ложку с последующим переносом на обрабатываемую под­

ложку или наполнитель. Имеются два варианта этого метода,

отличающиеся состоянием переносимого полимера.

Первый заключается в переносе полимера в виде заря­ женных частиц. В этом случае подложка может представлить собой плоский лист [233], близкий по размерам ленте напол­

нителя, или металлический цилиндр, ширина которого соответ­

ствует.ширине ленты наполнителя, которая с помощью направ­

ляющего ролика приводится в контакт со вспомогательным

цилиндром. Использование дополнительных элеi<тричесюiх полей способствует интенсификации переноса. В послед­

нем случае перенос можно осуществлять фрикционным путем

споверхности вспомогательного цилиндра на наполнитель,

причем концентрацию полимера в препреге можно регулиро­

вать подбором скоростей вращения контактирующей пары ци­

uиндров.

Во втором варианте нанесение частиц в электрическом

поле осуществляют на две металлические ленты, ширина ко­

торых соответствует ширине ленты наполнителя, с последую­

щей совместной термообработкой системы подложканапол­

нительподложка и отслаиванием подложек. Этот метод

эффективен для получения препрегов на основе наполнителя,

имеющего I<рупные поры или редкую сетку.

В отдельную группу следует выделить методы получения

препрегов на основе жгутовых наполнителей, хотя для их реа­ лизацип подходит (с незначительной модернизацией) специа­

лизированное оборудование, используемое для ТI<аных и лен­ точных наполнителей. Это обусловлено спецификой структуры жгутов. Действительно, для ленточных и особенно для ТI<аных наполнителей, обладающих относительно жесп<ой структурой с фиксированным положением р~зличных элементов, парамет­ ры совмещения компонентов (состав препрега и его равнотол­ щинность, характер распределения частиц связующего в объ­

еме наполнителя и др.) на стадии получения препрегов можнn

регулировать с помощью электростатического или гидродина­

мического воздействия только за счет одного I<ампонента­ полимерного связующего. В этой связи жгутовые наполните­ ли, способные благодаря относительно свободному располо­ жению I\омплексных нитей, не скрепленных утком (как в лен­

тах и тканях), изменять форму и объем без ущерба их

свойствам, представляют особый интерес для порошковой тех­

нологии препрегов.

Анализ известных технологических схем показывает, что

222

нанесение связующего на жгутовые наполнители целесообраз­

но осуществлять по двум вариантам: над псевдоожиженным

слоем (в данном случае на частицы при их переносе на на­

полнитель действуют только силы электрического поля) и в

слое (при этом помимо электрических действуют гидродина­

мические силы). Особенности структуры жгутов позволяют

эффективно реализовать оба варианта за счет использования

различного исходного состояния жгутов для обеспечения мак­

симально возможной площади адгезионного контакта КО!\ШО­

нентов.

Эффективность первого варианта зависит от степени изме­

нения линейных размеров и формы жгута. Для его реализа­ ции необходимо предварительно (до совмещения со связую­

щим) трансформировать жгут в ленту минимально возможной

толщины, используя механические или пневматические мето­

ды. С уменьшением ее толщины возрастает число единичных актов взаимодействия частиц с моноволокнами наполнителя, что сказывается на свойствах материалов. В частности, пере­

ход от предварительно нераскатанного углеродного жгута

(типа УКН-П/5000) к жгуту, раскатанному в ленту, сопро­

вождается более чем трехкратным увеличением прочности на сжатие материалов, сформированных из упомянутых жгутов.

Во втором варианте при погружении в псевдоожиженный

слой связующего имеет место пространствеиное изменение формы жгута: объем жгута возрастает в несколько раз под действием сил внешнего электрического поля и гидродинами­ ческих сил, возникающих в псевдоожиженном слое, и способ­

ствует внедрению электрозаряженных частиц связующего в

объем наполнителя. Эффективность метода зависит от режи­

мов псевдоожижения и параметров внешнего поля.

Сопоставление описанных вариантов совмещения жгутов

с дисперсным связующим показывает, что при оптимальных

параметрах процесса, характерных для каждого из них, и оди­ наковом составе препрега прочностные характеристики мате­ риалов, полученных из препрегов, которые изготовлены по различным вариантам, имеют примерно одинаковые показа­

тели.

Технико-экономический анализ технологии препрегов на

основе дисперсных связующих (полиэфирэфиркетона, арома­ тического полиамида и др.) и жгутов (из угле- и стекловоло­

I~он), проведенный в работе [367] , показывает, что она имеет

значительные преимущества по сравнению с другими метода­

ми совмещения упомянутых компонентов, где связующее при­

меняли в виде раствора, эмульсии или суспензии, а также в виде пленки, волокон или из экструдируемого расплава.

223.

7.4. НАНЕСЕНИЕ ПОКРЬIТИЙ НА ИЗДЕЛИЯ СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

Решение задачи регулирования толщины полимерного слоя, а

также других упомянутых выше задач требует учета специ­

фиюi обрабатываемого изделия. Характерным примерам реа­

лизации возможностей управления свойствами слоя и режи­

мами процесса нанесения может служить электроосаждение

дисперсных полимеров на изделия сложной конфигурации.

В данном параграфе мы ограничимся рассмотрением специ­

фики процесса нанесения и специализированного оборудова·

ния для получения покрытий на магнитапроводы двигателей

и генераторов. Это обусловлено важностью проблемы элект­

рической изоляции в целом и возможностью реализации раз­

личных подходов к созданию специализированного оборудо­

вания, обусловленного типоразмерами и конфигурацией эле­

ментов магнитопроводов.

Магнитолроводы электрических машин малой мощности,

требующие защиты торцовых поверхностей и пазов, относятся

к изделиям особой сложности. По форме паза магнитоправо­

ды разделяются на три категории: с открытым, или наруж­

ным, пазом, с полузакрытым и закрытым (внутренним).

Для первой категории магнитоправадов (с открытым пазом)

можно использовать различные методы нанесения покрытий.

Если магнитапроводы имеют достаточную теплоемкость и со­

храняют свои служебные характеристики после непродолжи­

тельного нагрева до температур, превышающих температуру

размягчения или плавления полимера на 40...80 К, то можно многократно погружать магнитапровод (с вертикальным рас­ положением пазов) в псевдоожиженный слой полимера. До­ nолнительно изделие подвергают вибрации и перевороту на

180° при каждом последующем погружении. Применяют также

струйный обдув нагретого магнитопровода, который устанав­

ливают на оправку и размещают в I<амере, располагая пазы

против сопел, распыляющих частицы. Кроме того, маг­

нитоправоды с открытым пазом можно успешно защищать

электрической изоляцией в облаке униполярно заряженных

частиц, которое организуют в закрытой камере, при вращении

магнитоправода вокруг горизонтальной оси [46].

Нанесение покрытий на магнитапроводы с полузакрытым

и закрытым пазом требует специальной оснастки или специа­

лизированного оборудования. В частности, в случае магнито­

проводов с широким пазом (диаметр более 5 мм и глубина ме­

нее 30.. .40 мм) можно эффективно использовать сочетание

электроструйного напыления и нанесения над псевдоожижен­ ным слоем в электрическом поле. На рис. 7.19 представлена

принципиальная схема установки, позволяющая реализовать

это сочетание. Основными элементами установки являются

224

камера напыления 1, в боковых стенках которой смонтированы распылители 2, и аппарат псевдоожижения б, оснащенный

двумя питателями 5 и электродной системой, состоящей из

нижнего 7 и верхнего 4 электродов.

Достоинством этой установки являются ее широкие техно­

логические возможности, позволяющие осуществлять различ­

ные варианты нанесения: во-первых, сочетать электроструйное

напыление и нанесение над псевдоожиженным слоем в элект­

рическом поле; во-вторьiх, использовать струйное или электро­

струйное напыление на предварительно нагретое изделие;

в-третьих, электроосаждать над псевдоожиженным слоем.

Первый вариант осуществляется при подаче потенциала на нижний электрод. В результате в электричесi<аМ поле в меж­

элеiпродном пространстве происходит сепарация частиц в

прилегающих к электродам зонам. Посредством питателей эти

Рис. 7.19. Схема установки для нанесения пазовой изоляции элсктро­ струйным напылением и (или) над псевдоожиженным слоем: 1 - камера напыления; 2 - распылитель; 3 - покрываемое изделие; 4 - электрод

верхний; 5 - питатель; б- камера аппарата псевдоожижения; 7 -

электрод нижний; 8 - пористая перегорощ<а; 9 - камера наддува; 10-

вибратор; 11- источник высокого напряжения

частицы переносятся в камеру напыления и осаждаются на

изделии. Для повышения эффективности процесса и электро­

статического взаимодействия разноименно заряженных частиц

распылители располагали в камере со смещением их осей так,

чтобы потоки частиц не перекрывали друг друга. Помимо

этого, в камере происходило осаждение частиц над псевдо­ ожиженным слоем.

магнитопровода. Этот принцип может быть реализован в двух

различных вариантах: при размещении изделия над псевдо­

ожиженным слоем и при его погруженни в слой электрозаря­

женных частиц.

Первый вариант осуществлен в установке, схема которой

представлена на рис. 7.20; Особенности ее конструкции со­

стоят в том, что аппарат напыления включает две камеры:

камеру псевдоожижения 4 и камеру напыления 11, которые сообщаются между собой через прорези в стенках камеры на­ пыления, прикрепленной к крышке 5, герметично закрываю­

щей камеру псевдоожижения. Крышка снабжена клапаном б. На ней коаксиально с камерой напыления укреплена сменная обойма, яляющаяся держателем покрываемых детале.й, в !<о­

торой устанавливается статор 10, снабженный вкладышем-

226

заглушкой 9. Обойма и вкладыш являются деталями техно­

JIОГИ'Iеской оснастки и изготавливаются для каждого типораз­ мера статоров.

При полностью открытом клапане осуществляется псевдо­

ожижсние полимера, причем уровень псевдоожиженного слоя

в обеих камерах сохраняется одинаковым. При перекрытии

клапана происходит перетекание полимера из камеры псевдо­

ожижения в камеру напыления, что сопровождается увеличе­

нием в ней нысоты псевдоожиженного слоя. При определенном

расстоянии между статором и верхней границей слоя при по­

даче на эJJектрод высоковольтного потенциала в пазы зазем­

ленного статора транспортируются и осаждаются там заря­

женные частицы полимера, а неиспользованный порашок про­

ходит через систему рекуперации.

Для повышения качества покрытий (в частности, их равно­

толщинности) целесообразно использовать метод периодичес­

кого создания электрического поля между электродом и за­

земленным изделием. Этот прием можно реализовать за счет

импульсного включения электрического поля на время, необ­

ходимое для переноса заряженных частиц к поверхности из­

делия, и его отключения в момент, предшествующий осажде­

нию частиц на поверхность [240, 246],. В результате заряжен­

ные частицы по инерции за счет запаса кинетической энергии,

приобретенной во внешнем поле, проникают в пазы и равно­

мерно распределяются в нем.

Подобного результата можно добиться и периодической

переменой направления электрического поля, если магнито­

провод расположить в камере псевдоожижения над псевдо­

ожиженным слоем так, чтобы оси пазов бы.'lи параллельны

его поверхности [ 100].

Для реализации второго варианта (окунания изделия в

псевдоожиженный слой заряженных частиц) может быть ис­

пользована автоматизированная установка (типа ИМ 141), разработанная в ИММС АН Беларуси [208~. Она состоит из

блоков напыления и оплавления, системы очистки поверхно­ стей изделий покрытий, станции подготовки воздуха и систе­ мы рекуперации порошка. Технологический цикл получения пазовой изоляции включает в себя послойное нанесение элект­

розаряженных частиц полимера с промежуточным оплавлени­

ем каждого слоя и последующей термообработкой покрытия в

целом.

И, наконец, магнитапроводы наиболее сложной конфигу­

рации с узким пазом можно качественно пропылить, если ис­

пользовать специализированное оборудование, принципы дей­

ствин которого основаны на использовании неоднородных

электри•Iесюiх полей с различными градиентами напряжен­

ности. На особенностях подхода к решению подобной задачи

остановимся подробнее.

На рис. 7.21 представлена принципиальная схема процес­

са. Наиболее важным элементом устройства является ЭКJ?аН, к'оторый располагали таким образом, чтобы его поверхность была параллельна плоскости электрода. Над экраном ШJ. определенном расстоянии на заземленной оправке устанавли­

вали магнитопровод. При подаче высоi<овольтного потенциа­

ла на электрод на нижней части экрана индуцируется заряд

противоположного знака. В процессе электроосаждения заря­

ряженные частицы в

первую очередь оседа­

ют па экране, ослабляя

напряженность поля в

.пространстве между

ним и эле1продом. При

Рис. 7.21. Принципиальная

схема процесса нанесения

дисперсных полимеров; 1 -

камера пссвдоожнжения;

2 - псевдоожиженный слой;

3 - слой частиц, осевших

на нижнюю поверхность

экрана; 4 - экран; б- по­

крытие ЭI<рана; 6 - оправ­

ка; 7 - покрывасмос изде-

лие

этом в пространстве между верхней поверхностью экрана

и магнитоправодам напряженность поля возрастает.

В зазор между стенками рабочей камеры и экраном попадают

частицы, имеющие максимальные значения заряда. Часть по­ тока частиц осаждается на верхней поверхности экрана, уве­

личивая плотность индуцированного на ней заряда, а другие

частицы, проходя в зазор между экраном и стенками камеры,

осаждаются в первую очередь на острые кромки и грани,

создавая потенциальный барьер на пути в пазы. Но следую­ щие частицы движутся ускоренно, обладают достаточной ки­ нетической энергией и преодолевают этот барьер.

Внутри паза напряженность поля близка к нулю. Однако

так как магнитапровод собран из отдельных тонких пластин,

создающих микро- (и макро-) неровности, то возникает сла­

бое несднородное поле, которым нельзя пренебрегать в силу малых размеров паза. Поэтому частицы, попавшие внутрь па­

зов под его действием, а также под влиянием электростатиче­

ского рассеяния ранее осажденных одноименно заряженных частиц равномерно осаждаются на всех участках поверхности паза.

228

Описанный принцип реализован в установке УПТИ (рис. 7.22), разработанной в ИММС АН Беларуси. Она включает

в себя аппарат напыления, а также другие блоки, обеспе•шва­

ющие нагрев и перемещение изделия, рекуперацию порошка

н подготовку воздуха. Отметим, что механизм передвижения

изделия (карусельного типа) осуществляет циклический по­

ворот на 30° Это позволило оснастить установку 12 подвеска­

ми, на которые крепятся приспособления, удерживающие по­

крываемые магнитопра­ воды и масrшрующие

тромагнитном вибраторе и оснащенную экраном. Экран уста­ новлен на одной оси с активатором в виде лопастной мешалки, на который подается высоковольтный потенциал, и электри­

чески изолирован от него.

При отработке режимов получения пазовой изоляции на описанной установке было показано, что наиболее сущест­

венное влияние на качество покрытий и интенсивность про­ uесса электроосаждения оказывает потенциал электродной системы. В частности, при подаче на активатор потенциала

ниже 20 кВ процесс электроосаждения протекает медленно: за 10 мин электроосаждения толщина осадков составляет на поверхности пазов 20...25 мкм, на торцовых поверхностях маг­ нитоправода до 50 мкм. При увеличении потенциала до 30...

35 кВ процесс интенсифицируется, а качество осадков оказы­

вается наилучшим: при выдержке в течение 5 мин на поверх­ ностях паза осаждается слой материала толщиной 100 мкм, а.

229

на торцовых поверхностях магнитоправодаслой толщиной

до 200 мкм. ДаJiьнейшее увеличение потенциала интенсифици­

рует процесс электроосаждения, но сопровождается ухудше­

нием ка1Iества осажденных слоев. Электроосажденные слои

на внутренних поверхностях пазов оказывались примерпо в

2 раза более тонкими, чем на внешних торцовых поверхностях магнитопровода. Дальнейшее выравнивание толщины покры­

тий можно осуществить различными приемами. Наиболее про­

сто эта задача решается путем использования маскирующих

приспособлений, препятствующих электроосаждению. В соче­ тании с технологическими приемами послойного нанесения и формирования электроизоляционного слоя применение маски­ рующих приспособлений позволяет нивелировать разницу в толщинах покрытий на различных участках магнитопровода.

7.5. НАНЕСЕНИЕ ПОКРЬIТНА НА ТРУБЬI

Н ТРУБОПРОВОДНУЮ АРМАТУРУ

Трубы относятся к специфическим изделиям в плане нанесе­

ния покрытий. С одной стороны, простая форма и, как прави­ ло, большое количество однотипных изделий позволяют доста­

точно нросто и эффективно механизировать или автоматизи­

ровать процесс нанесения покрытий. Но, с другой стороны,

широкий набор типоразмеров, различные требования к покры­

тиям на внутренней и внешней поверхностях труб, а также к nокрытиям различного функционального назначения обуслов­ ливают необходимость 1;3ыбора наиболее эффективного и од­ новременно экономичного способа нанесения покрытий в за­

висимости от требований к их свойствам. Покрытия на внут­

ренней поверхности труб обеспечивают защиту от воздействия агрессивных сред, транспортируемых по трубам, предохраня­ ют от отложений осадков и предупреждают засорение продук­ тами коррозии перекачиваемых материалов, обеспечивают повышение пропускной способности труб за счет уменьшения

шероховатости стенок. Покрытия на наружной поверхности

труб нспользуют для их гидроизоляции и повышения эффек­ тивности I\атодной защиты, а также для уменьшения тепловых

потерь прн транспортировке горячих жидкостей. Различное

функциональное назначение покрытий обусловливает различ­ ную степень сложности задачи нанесения покрытий, отвечаю­ щих требованиям качества, на внутреннюю и внешнюю по­ верхность труб.

Для нанесении покрытий на внутреннюю поверхность име­

ются несколько основных методов и многочисленные вариан­

ты устро!Iств для их реализации. Трудности нанесения обус­ ловлены разли 1IИями в геометрических характеристиках труб, которые по степени сложности получения покрытий необходи­

мой тoJIЩIIHЫ и степени равнотолщинности можно разделить

230