Влияние технологии нагрева на продолжительность процесса отверждения полимерных композиционных материалов
Приведены результаты экспериментальных исследований свойств органопластиков, изготовленных по технологии мокрой намотки с использованием эпоксидного связующего. Отверждение проводилось двумя различными способами: в электрической и микроволновой печках при использовании двух режимов повышения температуры до заданного значения (одноступенчатом и трехступенчатом). Показано, что использование СВЧ-нагрева позволяет не только существенно сократить время отверждения, но и приводит к увеличению модуля упругости. Приведены значения усадки, пористости и величины их среднеквадратического отклонения. Экспериментально установлено, что использование СВЧ-нагрева приводит к увеличению величин среднеквадратического отклонения.
Введение
При изготовлении изделий из стекло-, угле- и органопластиков наибольшее распространение в качестве связующих получили термореактивные материалы [1–3]. Технология формования изделий из термореактивных полимерных композиционных материалов зависит от многих факторов: свойств используемых материалов, геометрической формы изделия, его массы, типа производства и т. д., в зависимости от которых изменяется последовательность и содержание технологических операций [4, 5]. Практически независимо от используемой технологии формования заключительной технологической операцией является отверждение, отличительная особенность которого – большая продолжительность и энергоемкость.
В процессе отверждения термореактивных полимерных материалов происходит образование поперечных химических связей между молекулами олигомера, что приводит к постепенному переходу его из жидкого состояния сначала в гелеобразное, а затем – в твердое [6–8].
Реакции сшивания могут протекать при взаимодействии функциональных групп олигомера и отвердителя – в результате реакций внутримолекулярных группировок, радикальной полимеризации и др., однако, независимо от механизма протекания химической реакции отверждения, она всегда связана с процессами структурирования. В процессе отверждения имеет место образование не только химических, но и физических связей, и весь комплекс эксплуатационных свойств сетчатых полимеров определяется соотношением количества химических и физических узлов сетки.
Отверждение изделий из полимерных композиционных материалов на основе термореактивной матрицы проводят, как правило, в автоклавах или электрических печах. В настоящее время проводятся многочисленные исследования по интенсификации процессов отверждения как полимерных композиционных материалов, так и лакокрасочных покрытий, резино-технических изделий и др. [9, 10]. Для интенсификации процессов отверждения используется индукционный и СВЧ-нагрев, инфракрасное (терморадиационное), радиационное, электронно-лучевое и ультрафиолетовое отверждение [7, 8]. Исследования последних лет выявили перспективность использования энергии электромагнитных колебаний сверхвысоких частот (СВЧ) [11].
При использовании электрических печей нагрев осуществляется от внешней поверхности формуемой детали вглубь, тогда как отличительной особенностью СВЧ-нагрева является его объемный характер, что способствует формированию более однородного распределения температуры как на поверхности, так и внутри отверждаемого изделия. Еще одним преимуществом СВЧ-нагрева является его меньшая себестоимость по сравнению с такими методами, как терморадиационный, электронно-лучевой и др.
Целью данной работы является оценка продолжительности процесса отверждения в электрической печи и с помощью СВЧ-нагрева.
Материалы и методы
Объектом исследования являлся органопластик, изготовленный методом мокрой намотки из арамидного волокна марки Армос 100А и эпоксидного связующего ЭДТ-10. Наружный диаметр детали составил 100 мм, толщина 10 мм, длина 100 мм.
Процесс отверждения образцов методом СВЧ-нагрева проводили в микроволновой печи «Электроника СП-10М», мощностью 600 Вт с частотой микроволнового излучения 2450 МГц. Температуру образца органопластика измеряли непосредственно в процессе нагрева с помощью стандартных экранированных термопар типа ХА с диаметром термоэлектродов 0,3 мм. В термопаре под воздействием СВЧ-излучения наводятся токи, искажающие принимаемый сигнал, что приводит к нагреву спая термопары и термоэлектродов. Для уменьшения импульсных скачков напряжения в сигнале термопары от СВЧ-излучения использовалась специальная установка.
В данной работе использовали два режима отверждения: одно- и трехступенчатый (см. рисунок).
Схема режимов отверждения: одноступенчатый (а, б) и трехступенчатый (в, г) при использовании электрической печи (а, в) и СВЧ-нагрева (б, г)
Одноступенчатый режим состоит из трех этапов: подъем температуры до заданного значения – участок 1 (для использованного связующего 150°С), выдержка при заданной температуре – участок 2 (для использованного связующего 3 ч) и охлаждение до комнатной температуры – участок 3. Для трехступенчатого режима отверждения участок 1, на котором происходит нагрев до заданной температуры, подразделяется на шесть областей, которые в свою очередь разделяются на три этапа подъема температуры: 11, 13 и 15 и два этапа выдержки на этих участках: 12 и 14. На участке 12 нагрев проводили до 80°С, на участке 14 – до 120°С. Выбор данных значений связан с температурами начала и окончания процесса гелеобразования.
Для реальных изделий из полимерных композиционных материалов на основе термореактивной матрицы сложно определить оптимальный режим отверждения, так как одновременно необходимо учитывать: количество теплоты, выделяющейся в процессе отверждения; теплофизические свойства наполнителя; геометрическую форму изделия (его габариты и массу); теплофизические свойства оснастки и конструкцию оборудования, которое применяется для отверждения изделия. Одновременно учесть влияние всех этих факторов практически невозможно, и в данной работе использован упрощенный метод, при котором объект исследования и режимы отверждения рассматриваются только как модель, позволяющая оценить суммарную продолжительность процесса отверждения.
Результаты и обсуждение
Далее приведены экспериментально полученные значения температур исследуемого образца при СВЧ-нагреве:
Температура, °С | 40 | 80 | 100 | 120 | 150 |
Продолжительность нагрева, с | 18 | 42 | 63 | 85 | 145 |
Схемы технологических операций отверждения при использовании стандартного оборудования (электропечи) и СВЧ-нагрева показаны на рисунке. В табл. 1 приведены значения продолжительности технологического процесса отверждения для одно- и трехступенчатых режимов отверждения при использовании электропечи и СВЧ-нагрева.
Таблица 1
Продолжительность процесса отверждения органопластика
Обозначения технологических режимов нагрева в соответствии с рисунком | Продолжительность процесса нагрева, мин | |
в электрической печи | при СВЧ-нагреве | |
Одноступенчатый режим отверждения | ||
1 | 40 | 2,5 |
2 | 180 | 180 |
3 | 60 | 60 |
Общая продолжительность отверждения | 280 | 242,5 |
Трехступенчатый режим нагрева | ||
11 | 20 | 1,3 |
12 | 20 | 20 |
13 | 13 | 0,7 |
14 | 20 | 20 |
15 | 10 | 10 |
Общая продолжительность процесса нагрева на первом этапе (подъем температуры до заданного значения) | 83 | 52 |
2 | 180 | 180 |
3 | 60 | 60 |
Общая продолжительность отверждения | 323 | 292 |
Авторы работ [6, 11] показали, что при СВЧ-нагреве имеет место ускорение процессов отверждения, и поэтому в данной работе выдержку при температуре 150°С снизили с 3 до 1 ч. В результате общая продолжительность процесса отверждения составила 172 мин, по сравнению со стандартными 323 мин.
В табл. 2 приведены характеристики органопластиков, отверждение которых проводили по одноступенчатому режиму при использовании стандартного способа нагрева в электрической печи и СВЧ-нагрева.
Таблица 2
Показатели качества при разных методах отверждения полимерного связующего
Характеристики | Значения характеристик при отверждении | |
в установке СВЧ | в электрической печи | |
Усадка, % | 2,4–5 | |
Величина среднеквадратического отклонения по усадке, % | 0,3 | 0,15 |
Пористость, % | 3,1–4 | |
Величина среднеквадратического отклонения по пористости, % | 0,45 | 0,1 |
Степень конверсии, % | 93 | 99 |
Модуль упругости, ГПа | 29 | 20 |
Погрешность изменения параметров формы, мм | 0,2 | 0,01 |
Анализ полученных результатов показывает, что степень конверсии при использовании электрической печи выше, чем при СВЧ-нагреве, а также существенно меньше погрешность изменения параметров формы. В то же время величина модуля упругости при отверждении СВЧ-методом выше, чем при использовании стандартного оборудования. По величине усадки и пористости свойства органопластиков одинаковые и от использованного способа нагрева не зависят. Однако значения среднеквадратических отклонений по показателям пористости и усадке при использовании СВЧ-нагрева намного выше, чем при использовании электропечи.
Заключения
В результате проведенных исследований установлено, что эффективность СВЧ-нагрева не является бесспорной и невозможно дать однозначного ответа о целесообразности его применения, поскольку ряд характеристик получаемых полимерных композиционных материалов ниже, а некоторые показатели выше, чем при использовании стандартной технологии. Суммарная продолжительность технологического процесса отверждения при использовании СВЧ-нагрева меньше, а величина модуля упругости выше. Величины пористости и усадки мало зависят от используемой технологии отверждения, однако значения среднеквадратических отклонений этих показателей в 2 и более раз выше, чем при стандартной технологии отверждения. При использовании в качестве объекта исследования деталей цилиндрической формы установлено увеличение погрешности изменения параметров формы. Однако для ряда деталей из органопластиков, к которым не предъявляются высокие требования, связанные с погрешностями изменения параметров формы изготавливаемого изделия, эта технология отверждения может быть успешно применена.
- Каблов Е.Н., Чурсова Л.В., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е., Рубцова Е.В., Петрова А.П. Исследование эпоксидно-полисульфоновых полимерных систем как основы высокопрочных клеев авиационного назначения // Клеи. Герметики. Технологии. 2017. №3. С. 7–12.
- Раскутин А.Е. Российские полимерные композиционные материалы нового поколения, их освоение и внедрение в перспективных разрабатываемых конструкциях // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 349–367. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-349-367.
- Каблов Е.Н., Бузник В.М. Состояние и перспективы арктического материаловедения // Вестник Российской академии наук. 2017. Т. 87. №9. С. 827–839.
- Гращенков Д.В. Стратегия развития неметаллических материалов, металлических композиционных материалов и теплозащиты // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 264–271. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-264–271.
- Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерные композиционные материалы. Долгопрудный: Интеллект, 2010. 352 с.
- Петрова А.П., Малышева Г.В. Клеи, клеевые связующие, клеевые препреги / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2017. 472 с.
- Баурова Н.И., Зорин В.А. Применение полимерных композиционных материалов при производстве и ремонте машин: учеб. пособие. М.: МАДИ, 2016. 264 с.
- Михайлин Ю.А. Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике. СПб.: Научные основы и технологии, 2013. 720 с.
- Комков М.А., Тарасов В.А. Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 431 с.
- Мишкин С.И., Раскутин А.Е., Евдокимов А.А., Гуляев И.Н. Технологии и основные этапы строительства первого в России арочного моста из композиционных материалов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2017. №6 (54). Ст. 05. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 12.07.2018). DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-6-5-5.
- Гузева Т.А. Новые подходы к повышению эффективности производства деталей из органопластиков // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №7. С. 53–56.