книги из ГПНТБ / Князев, В. К. Облученный полиэтилен в технике

долговечность эксплуатации, а поверхности изделий — достаточную чистоту обработки. При этом на поверхно­ сти металлизированных форм должны наноситься мед­ но-никелевые или хромовые покрытия.

Режим охлаждения готовых изделий из облученного полиэтилена имеет чрезвычайно важное значение для всего процесса формования, поскольку при отклонении параметров от оптимальных значений наблюдается ко­ робление изделий и потеря ими товарного вида. Кроме того, при интенсивном охлаждении деталей в них воз­ никают остаточные напряжения, которые в дальнейшем неблагоприятно сказываются при эксплуатации изделий.

Для осуществления качественного формования изде­ лий следует производить предварительный отжиг заго­ товок при температуре на 5—10°С ниже температуры стеклования. Необходимость в отжиге возникает в связи с тем, что при закреплении неотожженной заготовки в зажимной раме и последующем разогревании в изделиях появляются так называемые «волны», обусловленные на­ личием больших внутренних напряжений в листовом материале. Так, при разогревании заготовок размером 400X400 мм высота гребней «волн» может достигать 50—60 мм, в результате чего из-за резкой удаленности участков поверхности заготовки от поверхности нагрева­ теля создается нежелательная неравномерность темпе­ ратурного поля листа. В процессе формования одни участки заготовки, нагретые более интенсивно, характе­ ризуются большими деформациями, чем другие— менее нагретые, что приводит -к образованию складчатости или недорастянутых мест на готовых изделиях, увеличивая их разнотолщинностъ.

По мере возрастания поглощенной дозы излучения упругость полиэтилена существенно повышается, поэто­ му проектирование установок для формования изделий должно производиться с учетом обеспечения возможно­ сти изменения усилия зажима заготовки. В этом случае листы целесообразно закреплять с помощью регулируе­ мых кулачковых затворов с пневматическим приводом. Усилие Q, необходимое для зажима листовой заготовки, может быть определено по формуле:

У - опf6а>

где ап — максимальное нормальное напряжение, возникающее в

194

листе в момент формования изделия, кгс/см2; б — толщина заготов­ ки, см; о — периметр зажимного устройства, см; / —• коэффициент трения.

Коэффициент трения материала является переменной величиной, зависящей от поглощенной дозы излучения.

Ширину зажима I можно определить из соотношения:

где q — давление зажима, кгс/см2.

Конечные температуры листовой заготовки при фор­ мовании изделий из облученного полиэтилена должны отвечать условиям:

венно максимальная и минимальная допустимые температуры фор­ мования.

В табл. 62 приведены значения допустимых темпера­ тур формования в зависимости от поглощенных доз для полиэтилена высокой плотности.

Т а б л и ц а 62. Допустимые температуры пневмовакуумного формования изделий из листов полиэтилена высокой плотности в зависимости от

Для правильного выбора оборудования и технологи­ ческих параметров при изготовлении тонкостенных кор­ пусных изделий из облученного полиэтилена не достато­ чен эмпирический подбор таких величин, как, например, температура разогрева листовой заготовки, перепад дав­ лений, скорость формования и т. д, Такой путь не позво-

ясняется тем, что данный расчет не учитывает гидрав­ лических сопротивлений в системе создания вакуума и давления в формовочных машинах. Коэффициент, учи­ тывающий эти сопротивления, должен рассчитываться применительно к конкретной машине, так как он полно­ стью определяется ее конструкцией и конструкцией пуан­ сона (матрицы).

Режим формования выбирается в зависимости от ус­ ловий дальнейшей эксплуатации готовых изделий, так как сформованные из термопластов детали уже при сравнительно небольшом температурном воздействии из­ меняют линейные размеры и форму под влиянием оста­ точных напряжений. Значение этих остаточных напряже­ ний зависит от условий формования изделий. Таким образом, формование изделий из термопластов или мате­ риалов, подобных облученному полиэтилену, и их даль­ нейшая эксплуатация могут рассматриваться как две взаимосвязанные стадии одного процесса деформиро­ вания полимерного материала, следующие одна за другой.

Указанный процесс деформирования можно сопоста­ вить с поведением материала при испытании на ползу­ честь. В реальных условиях картина нагружения и разгружения материала значительно сложнее. Тем не ме­ нее, такая аналогия дает возможность произвести расчет деформаций и напряжений в процессе формования изде­ лий. Наименьшее число элементов механической модели, которое позволяет описать качественно процессы формо­ вания, равняется трем: модель Гука и двухэлементная модель Фойгта, соединенные последовательно и образую­ щие «стандартное» вязкоупругое тело [568—569],.

197

Производство крупногабаритных, блочных и листовых полиэтиленовых изделий

Производство крупногабаритных, блочных и листовых полиэтиленовых изделий, модифицируемых облучением, отличается рядом особенностей, которые должны учи­ тываться при разработке и осуществлении радиационно­ технологических процессов.

В зависимости от формы и размеров, а также назна­ чения, изделия могут быть условно разделены на четыре группы:

1) монолитные или толстостенные изделия простейшей формы и небольших габаритов, представляющие собой блоки, бруски, плиты, диски, стержни и др.;

2) изделия сложной объемной формы с различными толщинами стенок, получаемые преимущественно литьем под давлением, прессованием, вакуумформованием, ме­ ханической обработкой;

,3) крупногабаритные монолитные и толстостенные из­ делия относительно несложной формы (типа днищ, ди­ афрагм, плоских корпусных изделий, листов и т. д.);

4) крупногабаритные объемные пустотелые изделия (типа обечаек, коробов, шнеков, сфер и др.).

В зависимости от того, к какой группе относятся из­ делия, подлежащие радиационно-технологической обра­ ботке, выбираются вид и источник излучения, мощность дозы излучения, решаются вопросы конструкции радиа­ ционно-химического аппарата и необходимой оснастки, определяются условия протекания процесса.

Изделия первой группы являются наиболее удобными для радиационной обработки. При их облучении наибо­ лее полно используется энергия излучения, в максималь­ но возможной степени полезно используется рабочее про­ странство зоны облучения (80—90%), отпадает необхо­ димость облучения и последующей термообработки в инертной среде или вакууме. Применяемые при этом ра­ диационно-химические аппараты представляют собой простейшие конструкции типа емкостей или коробок. В большинстве случаев при облучении такого рода из­ делий вообще не требуется применения специальных ап­ паратов. Облучение может производиться при высоких мощностях поглощенной дозы излучения (до 2000 рад/с) в различных ящиках, контейнерах, подвесках, а также

198

на полках, тележках, транспортерах конвейерных линий. В зависимости от формы и количества изделий единовре­ менная загрузка на источник может комплектоваться из изделий различных видов для более плотной упаковки.

Для изделий этой группы применяются изотопные у-установки различных конструкций с 60Со и у-радиаци- онные контуры. Предпочтительным является многосто­ роннее облучение, так как возможно значительное (в 5— 10 раз) ослабление интенсивности излучения большими толщинами полиэтилена. Процесс может осуществляться практически при любых мощностях поглощенной дозы излучения. При необходимости только поверхностной ра­ диационной обработки таких изделий до поглощенных доз 1— 10 Мрад процесс может проводиться на электрон­ ных ускорителях с энергией 1—5 МэВ.

Облучение изделий второй группы вследствие их раз­ нообразия и конструкционной неоднородности менее эф­ фективно. При их облучении обеспечение плотной упа­ ковки часто бывает затруднено. Наличие внутренних напряжений, технологической ориентации, разнородности структуры материала, разнотолщинности делает необхо­ димым определение оптимальных условий облучения с учетом особенностей конструкций изделий. Наличие тон­ ких стенок может вызывать необходимость облучения изделий в вакууме или инертной среде. Из-за сложности обеспечения плотной упаковки таких изделий в большин­ стве случаев их облучают «навалом» с заполнением объема не более чем на 30—50%. Послерадиационная термообработка изделий обычно должна проводиться также в инертной среде или под вакуумом. Изделия вто­ рой группы, как правило, имеют окончательную форму и точные размеры, что предъявляет жесткие требования по сохранению изделиями высокой формо- и размероустойчивости при радиационной обработке.

Облучение при повышенных температурах (в резуль­ тате подвода тепла от специальных нагревательных уст­ ройств или вследствие тепловыделения при поглощении энергии излучения) требует автоматического поддержа­ ния температурного режима в соответствии с задаваемой программой.

Для второй группы изделий используются изотопные у-установки и у-радиационные контуры. В случае изго­ товления изделий, когда допустимо ухудшение некоторых

199

показателей, или изделий, имеющих припуск на механи­ ческую обработку, облучение может осуществляться в простейшей упаковке и на воздухе. В некоторых случаях возможно облучение на конвейере с использованием электронного ускорителя с энергией частиц 2—5 МэВ. Пределы используемых мощностей поглощенных доз оп­ ределяются конструкцией изделий, источниками излуче­ ния и допустимой температурой радиационного разогрева.

Сложность облучения изделий третьей группы состо­ ит в необходимости использования плоских или фигур­ ных у-облучателей, обеспечивающих в больших объемах высокую равномерность поглощенных доз излучения. В большинстве случаев для этого необходимо создание специальных изотопных у-установок или у-радиационных контуров и сложной технологической оснастки. Близкая к плоской форма изделий позволяет эффективно исполь­ зовать электронное излучение, однако для этого необхо­ димы мощные (с энергией до 10 МэВ) ускорители с раз­ верткой пучка электронов до 1,5— 1,8 м- При вращении изделия вокруг оси и при возвратно-поступательном дви­ жении могут использоваться ускорители с меньшей раз­ верткой пучка (порядка 0,3—0,5 м).

Такого типа изделия могут облучаться на конвейерах и специальных установках, повышающих равномерность облучения и периодически осуществляющих изменение положения изделий. Радиационная обработка изделий этой группы не требует их облучения в инертной среде и вакууме. В большинстве случаев неравномерность поля мощностей поглощенных доз излучения для таких изде­ лий весьма велика (до ±50% ).

При облучении изделий типа выпукло-вогнутых днищ с большим радиусом кривизны (1—2 м) целесообразно использовать точечный источник излучения, находящий­ ся в центре кривизны изделия, вследствие чего обеспечи­ вается большая равномерность радиационной обработки. В случае необходимости облучения таких изделий до большей поглощенной дозы в центральной части их уста­ навливают выпуклой стороной к источнику излуче­ ния. Радиационная обработка этих изделий при повы­ шенных температурах (до 150°С) может быть осуществ­ лена только за счет постепенного радиационного разо­ грева. Возможности активного регулирования темпера­ туры путем нагревания или охлаждения от специальных

200

устройств ограничены большими габаритами и толщи­ нами изделий.

Облучение изделий четвертой группы наименее эф­ фективно вследствие сложности их формы и габаритов. Энергия излучения при этом используется крайне непро­ изводительно (не более 5—10%). Равномерность облу­ чения также весьма низка. Радиационная обработка с высокими технико-экономическими показателями воз­ можна только при использовании специальных облучательных устройств или при одновременном облучении с изделиями первой и второй групп.

Как правило, облучаемые изделия этой группы пред­ ставляют собой конструкции опытного или мелкосерий­ ного производства, что существенно удорожает стои­ мость радиационной обработки при создании для этих целей специальных источников излучения. В тех случаях, когда изделия имеют форму полых тел вращения, их об­ лучение может быть осуществлено мощными ускорите­ лями, имеющими устройство для развертки пучка элект­ ронов.

Некоторые установки и аппараты различной конст­ рукции, пригодные для облучения рассмотренных выше четырех групп изделий, приведены в работе [438],.

Производство кабельных изделий

Радиационная обработка кабельных изделий может осуществляться на изотопных у-установках и сильноточ­ ных ускорителях электронов [2, 3, 295, 328, 544, 546]). Детальному описанию технологии радиационного моди­ фицирования кабельных изделий посвящена работа [2], в которой рассмотрены общие принципы выбора источ­ ников излучения, применяемое оборудование и особен­ ности осуществления технологических процессов облуче­ ния проводов и кабелей на у-установках и электронных ускорителях.

Для у-облучения кабельных изделий используются специальные радиационно-химические аппараты, в кото­ рых процесс протекает в инертной среде (гелии). Кабели и провода загружаются в аппараты на катушках. Для создания равномерного поля поглощенных доз излучения толщина намотки изделий на катушку определяется с учетом поглощения излучения системой: полимерная

201

изоляция — металлическая жила. Равномерность обеспе­ чивается также вращением аппарата в поле действия излучения. При активности облучателей 50000 г-экв ра­ дия и высоте области относительно равномерного облу­ чения 260 мм средняя мощность поглощенной дозы из­ лучения составляет ~50 рад/с, а неравномерность облу­ чения не превышает ±10% [571]. При поглощенной дозе излучения 100 Мрад производительность процесса на та­ ком источнике составляет 0,1 кг/ч, а к. п. д. источни­

ка — 3,5%.

Метод секционного у-облучения позволяет увеличить эффективность радиационной обработки кабелей. За­ грузка в три ряда концентрических катушек с кабелем в аппарат, установленный на у-установке КСВ-500, позво­ ляет повысить производительность процесса до 1,2 кг/ч

ик. п. д. до 12% [2]1 Для достижения этих результатов, однако, требуется многократная смена мест катушек в аппарате, что в свою очередь, осложняет вопросы гер­ метизации, вакуумирования, заполнения инертным газом

идр.

При облучении на рассмотренных выше установках длина кабелей, загружаемых в аппарат, ограничивается габаритами этого аппарата и зависит от конструкции кабеля. Кабели большой длины могут облучаться в ап­ парате на установке КП-200.

В работах [572, 573]і рассмотрены технологические схемы и параметры процесса облучения кабельных изде­ лий на сильноточных ускорителях электронов. Показано, что использование мощного электронного пучка ускори­ теля для облучения кабельных изделий является наибо­ лее удачным техническим решением. Для оптимизации процесса очень важно распределение поля мощностей поглощенных доз излучения в объеме изоляции, условия обеспечения теплоотвода от облучаемой изоляции, эф­ фективность использования мощности и сечения элект­ ронного пучка. Поле мощностей поглощенных доз излу­ чения в изоляции кабелей с медными жилами может быть определено экспериментально с помощью дозимет­ рических систем или путем расчета [573].

Примером промышленного осуществления радиацион­ ной модификации изоляции кабельных изделий является процесс фирмы «General Electric Со.». Облучение ка­ бельных изделий осуществляется на специальной уста­

20?

новке, генерирующей пучок электронов с энергией 1 МэВ [574]. Сила тока в установке составляет 1 мА, а выход­ ная мощность около 700 Вт. Пучок электронов выходит из установки через титановое окно диаметром 63,5 мм, непрерывно охлаждаемое путем обдува сильной струей воздуха. На расстоянии 100 мм от окна, в центре пучка мощность поглощенной дозы излучения может достигать ~ 1 —2 Мрад/с. Установка оборудована защитными эк­ ранами для поглощения электронов больших энергий и рентгеновских лучей в процессе ее эксплуатации. Она заключена в камеру размером 2,4X3,6X 3,9 м, имеющую лабиринтный вход. Образующийся при ионизации возду­ ха электронами озон.удаляется вентиляционной систе­ мой, обеспечивающей полный обмен воздуха в камере за 40 с. Для эффективного использования энергии излу­ чения провод с полиэтиленовой изоляцией многократно проходит по роликовому устройству, пересекая пучок электронов дважды (огибая ролик сверху и снизу). Спе­ циальное устройство перемещает провода через все участки конического пучка электронов с максимальной плотностью по оси конуса. При этом обеспечивается по­ лучение изоляцией на всех участках одинаковой погло­ щенной дозы излучения. Экранирующий эффект токо­ проводящей жилы устраняется конструкцией роликов, предусматривающей некоторое вращение провода вокруг своей оси. Провода большого сечения, при облучении которых трудно осуществить подобный поворот, заправ­ ляются через каждую пару роликов в виде восьмерки, что позволяет равномерно облучить всю поверхность провода. Для охлаждения провода применяется сухой очищенный воздух.

Аналогичным образом изготавливаются провода и кабели на отечественных предприятиях [2, 3]:.

В работах [3, 575] описаны установки для облучения полиэтиленовой изоляции проводов, имеющей произво­ дительность 600—700 м/ч при поглощенной дозе излуче­ ния 50 Мрад. Установка [576] состоит из электронного ускорителя, изготовленного на основе промышленного

режения типа ВН-461 и вакуумный агрегат ВА-05-4) и протяжного устройства с электроприводом мощностью

0,18 кВт.

203