Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
КУДРЯЧЕНКО ВІКТОР ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 535.024:620.168:678.02:678.5.059
РОЗРОБЛЕННЯ ЕФЕКТИВНИХ РЕЖИМІВ ТА ОБЛАДНАННЯ
ДЛЯ ПРОСОЧЕННЯ ТКАНИХ НАПОВНЮВАЧІВ
ПОЛІМЕРНИМИ ЗВ'ЯЗУЮЧИМИ
Спеціальність 05.17.08 - процеси та обладнання хімічної технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 2002
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафері хімічного, полімерного та силікатного машинобудування Національного технічного університета України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України
|
Науковий керівник |
кандидат технічних наук, доцент Сівецький Володимир Іванович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, заступник декана з наукової роботи інженерно-хімічного факультету, доцент кафедри хімічного, полімерного та силікатного машинобудування |
|
Офіційні опоненти |
доктор технічних наук, професор Півень Олександр Наумович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри машин та апаратів хімічних і нафтопереробних виробництв |
|
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ануфрієв Валерій Олександрович, відкрите акціонерне товариство "Український науково-дослідний і конструкторський інститут по розробці машин і устаткування для переробки пластичних мас, гуми і штучної шкіри", м. Київ, заступник директора з наукової роботи |
|
|
Провідна установа |
Державне підприємство "Український науково-дослідний інститут нафтопереробної промисловості "МАСМА" Міністерства палива та енергетики України, м. Київ, лабораторія процесів і апаратів |
Захист відбудеться "10" червня 2002 року о 14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, навчальний корпус №21, ауд. № 212.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.
Автореферат розісланий "7" травня 2002 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., професор В.Я.Круглицька
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми
Процес просочення орієнтованих і рулонних волокнистих наповнювачів (таких, як папір, картон, джгути, тканини тощо) полімерними зв'язуючими широко застосовується в машинобудуванні, хімічній, целюлозно-паперовій, текстильній, електротехнічній та інших галузях промисловості. Такі композиційні матеріали, як декоративні шаруваті пластики, синтетична фанера, гетінакс, електроізоляційні матеріали (текстоліт, ізоляційні стрічки і інш.), штучний шпон, конструкційні матеріали для автомобіле- і суднобудування, будівництва, медицини, сільського господарства та інших галузей отримують просоченням рулонних і орієнтованих волокнистих матеріалів.
Конструкція і структура обладнання для просочення різноманітні. Однак невід'ємною частиною його у всіх випадках служать пристрої для просочення, які зумовлюють продуктивність і інші техніко-економічні показники обладнання. Тому інтенсифікації процесу просочення приділяється велика увага як в країнах СНД, включаючи Україну, так і за рубежем.
Конструювання намотувальних виробів із композиційних матеріалів на базі орієнтованих і рулонних волокнистих наповнювачів і полімерних зв'язуючих, а також технологія їх виробництва до цих пір базуються на евристичних підходах і особистому досвіді розробників. Це призводить до нераціональних, і тим більше до нерентабельних конструкцій. У свою чергу, недостатньо ефективні технологічні процеси не дозволяють реалізувати усі переваги або можливості отримуваного полімерного композиту у виробі.
Найважливішим фактором, що здійснює вплив на експлуатаційні властивості виробів із тканих полімерних композитів, є міцність зчеплення між тканим волокнистим наповнювачем і полімерною матрицею, для досягнення якого необхідне добре змочування і якісне просочення наповнювача полімерним зв'язуючим.
Від якості просочення також залежить монолітність і щільність структури композиту, його фізико-механічні характеристики. Тому дослідження процесу просочення і реалізуючого цей процес обладнання, а також пошук шляхів інтенсифікації процесу просочення набуває особливої актуальності. Адже це дозволяє намітити оптимальні напрямки підвищення продуктивності при отриманні якісних тканих композиційних матеріалів.
Прогнозування технологічних параметрів процесу просочення у значній мірі пов'язано з визначенням структурних характеристик тканого наповнювача як капілярно-пористого тіла. При цьому однією з основних задач при аналізі процесу просочення є використання класичної теорії фільтрації (підйому) полімерної рідини у капілярно-пористому тілі, а також експериментальна перевірка отриманих кінетичних рівнянь.
Одним із напрямів підвищення експлуатаційних характеристик волокнистих композиційних матеріалів є підвищення технологічних і експлуатаційних властивостей полімерної матриці на базі епоксидних олігомерів та зв'язуючих на їх основі. Досягнути шуканого підвищення можливо, наприклад, за рахунок ефективної низькочастотної ультразвукової (УЗ) дії, або ультразвукових коливань (УЗК).
Відомо, що в процесі просочення тканих наповнювачів розчинами полімерних зв'язуючих спостерігається значне коливання вмісту смоли у наповнювачі (понад 2,5%), яке необхідно враховувати при регулюванні процесу просочення. При цьому підвищення швидкості просочення склотканини на 0,1 м/хв збільшує вміст смоли в середньому на 1%.
Цим обумовлена актуальність удосконалення засобів для підтримки постійності величини вмісту зв'язуючого у волокнистому наповнювачі, що просочився, за умови варіювання швидкості протягування наповнювача (тобто продуктивності просочення).
Встановлення ефективного сполучення шляхів підвищення ефективності процесу просочення і дозованого нанесення зв'язуючого у просоченому наповнювачі та їх УЗ-інтенсифікація обумовлює актуальність теми дисертаційної роботи.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Тема дисертаційної роботи є частиною науково-дослідних робіт, виконаних пошукачем наукового ступеня в НТУУ "КПІ" в рамках виконання держбюджетних тем №2368 "Теоретичні основи прогнозування властивостей і діагностики якості елементів конструкцій із полімерних композитів на базі методу неруйнівного контролю" (№ держреєстації 0100U000896), №2370 "Дослідження ультразвукової кавітаційної технології для підвищення експлуатаційних характеристик епоксидно-поліефірних покриттів" (№ держреєстації 0100U000897), а також госпдоговірної теми № 40 "Розробка ефективних засобів для просочення волокнистих матеріалів полімерними зв'язувальними шляхом застосування ультразвукових коливань" (№ держреєстації 0101U006378).
Мета і задачі дослідження
Метою даної дисертації є дослідження ефективних режимів процесу просочення тканих волокнистих матеріалів полімерними зв'язуючими, що призводять до підвищення продуктивності засобів для просочення, включаючи застосування механічних (УЗ) коливань, та розробка обладнання для їх реалізації.
Реалізація цієї мети передбачає виконання наступних задач дослідження:
Наукова новизна одержаних результатів
Практичне значення одержаних результатів
На основі результатів проведених досліджень розроблено удосконалену методику, що дозволяє проводити більш достовірне дослідження кінетики процесу просочення тканих наповнювачів полімерними зв'язуючими. Це досягається як за рахунок врахування капілярно-пористих властивостей досліджуваного зразка, його товщини, умов просочення (натягнення зразка, температури просочення, властивостей зв'язуючого), так і за рахунок локалізації і використання модульованого світлового випромінювання в зоні просочення.
Використання методики дозволяє заздалегідь, в лабораторних умовах, вибрати найбільш ефективні наповнювачі і просочувальні склади для них, а також підібрати оптимальні умови просочення для отримання якісних матеріалів.
Це значно скорочує непродуктивні витрати праці і часу при проектуванні засобів просочення як для конструкторів-проектувальників, так і для технологів, що особливо важливо при проектуванні нових технологічних процесів і обладнання за умов зміни рецептур і технологічних режимів процесу.
Розроблені ефективні технологічні режими і обладнання для переробки рідинних епоксидних полімерів з використанням низькочастотної УЗ-кавітаційної технології дозволяють підвищити швидкість і якість просочення за рахунок підвищення адгезії до поверхні конструкційних матеріалів, а також за рахунок пiдвищення на 30-50% змочувальної спроможності полiмерної матрицi.
Результатом практичного застосування розробленої методики розрахунку параметрів пристроїв для УЗ-інтенсифікації процесу просочення є збільшення продуктивності процесу просочення і точності дозування нанесення зв'язуючого в композиті. Це дозволяє підвищити швидкість протягування і видалення надлишків зв'язуючого з матеріалу, отримувати більш однорідний композит, що просочився, практично без повітряних включень, а також використовувати більш в'язкі і більш концентровані просочувальні склади, в тому числі склади з дисперсним наповнювачем.
Результати впровадження розробленої дослідної технології з застосуванням УЗК і УЗ-пристроїв на просочувально-сушильній машині МПТ-3 на Казеному заводі порошкової металургії в м. Бровари (КЗПМ) показали, що вони можуть розглядатись як ефективний засіб, що сприяє отриманню постійного наперед заданого значення вмісту полімерного зв'язуючого у просоченому волокнистому наповнювачі при варіюванні швидкості протягування наповнювача у просочувальній ванні при застосуванні запропонованих режимів УЗ-обробки. Фактичний економічний ефект від промислового впровадження розробленої технології і обладнання на КЗПМ склав за півріччя 33,6 тис. грн.
Особистий внесок здобувача
Особистий внесок здобувача полягає в математичному рішенні поставлених задач, в проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів, обгрунтуванні та виборі ефективних режимів ультразвукової обробки та технологічного обладнання. До внеску співавторів належить участь у постановці задач та встановленні оптимальних методик проведення досліджень.
Публікації
За матеріалами дисертації опубліковано 20 наукових робіт, у тому числі 5 статей в журналах, що входять до Переліків наукових фахових видань, 5 деклараційних патентів України на винаходи, 10 тез доповідей на 5 міжнародних семінарах і конференціях.
Крім того, основні результати дисертаційної роботи, які отримані пошукачем, захищені як об'єкт інтелектуальної власності Свідоцтвом України про державну реєстрацію прав автора на твір ПА № 4723 від 22.10.2001 р.
Апробація роботи
Робота доповідалась на четвертій міжнародній науково-технічній конференції "Екологія. Людина. Суспільство" (Київ, 14-16.05.01), на другій міжднародній науково-технічній конференції по композиційним матеріалам (Київ, 05-07.06.01), на дев'ятому міжнародному семінарі-виставці "Сучасні методи і засоби неруйнівного контролю та технічної діагностики" (Ялта, 10-14.09.01), на п'ятій міжнародній науково-методичній конференції "Інтеграція освіти, науки і виробництва" (Луцьк, 27-28.09.01), на дев'ятій міжнародній науково-практичній конференції і виставці "Організація і технології ремонту машин, механізмів, обладнання" (Київ, 01-05.10.01), а також на наукових семінарах кафедри ХПСМ ІХФ НТУУ "КПІ".
Структура і обсяг дисертації
Дисертаційна робота складається з вступу, шести глав, висновків, переліку посилань та чотирьох додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 175 сторінок, у тому числі 166 сторінок текстової частини, 43 рисунка, 2 таблиці, 103 бібліографічних найменувань на 11 сторінках, а також чотири додатки на 13 сторінках.
Науковий консультант роботи - доктор технічних наук, професор, Лауреат державної премії України в галузі науки і техніки, провідний науковий співробітник кафедри ХПСМ ІХФ НТУУ "КПІ" Федоткін Ігор Михайлович.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність завдання досліджень, сформульована мета, визначено основні завдання, показана наукова новизна та коротко викладено зміст дисертації.
У першій главі розглядаються технологічні та технічні аспекти підвищення продуктивності засобів для просочення волокнистих матеріалів полімерними зв'язуючими шляхом застосування механічних коливань, аналізується загальний стан проблеми та наводяться задачі дослідження. В результаті аналізу було виявлено, що у більшості випадків механічні коливання ультразвукової (УЗ) частоти можуть бути успішно використані для інтенсифікації процесу просочення.
Встановлено, що розроблення і впровадження у виробництво прогресивних конструкцій просочувальних пристроїв з використанням УЗК дозволить не тільки підвищити продуктивність обладнання, але й буде сприяти як розширенню виробництва синтетичних матеріалів, так і енерго-і ресурсозбереженню при їх виробництві.
У другій главі описані об'єкти та методи дослідження. Виходячи з поставлених задач, основними об'єктами досліджень були промислові епоксидні олігомери та зв'язуючі на їх основі. Затверджувачі ─ амінного та ангідридного типів, наповнювачі ─ орієнтовні волокнисті наповнювачі джгутового типу і склотканини. Вивчалися технологічні характеристики епоксидних композицій (крайовий кут змочування, змочувальна здатність, в'язкість зв'язуючого), а також просочених наповнювачів на їх основі. Для дослідження процесів просочення застосовувалися як стандартні, так і нестандартні (лабораторні) методики, у тому числі із застосуванням розроблених пошукачем лабораторних пристроїв.
Описана статистична обробка результатів експериментальних досліджень.
Третя глава присвячена розробленню уточненої математичної моделі процесу просочення тканих волокнистих наповнювачів полімерними зв'язуючими.
Процес просочення орієнтованих волокнистих наповнювачів полімерними зв'язуючими, як правило, проводять по схемі, зображеній на рис. 1. Волокнистий наповнювач (склострічка або джгут) 1 змотується з бобіни і проходячи через систему роликів 2 у просочувальній ванні 3 з рідинним зв'язуючим, просочується ним.
Час просочення t при вертикальному введенні наповнювача, що просочується у ванні (див. рис. 1-a) t = t, де t - час поздовжнього просочення. При поперечному (радіальному) просоченні (див. рис. 1-б) t = t, де t - час радіального просочення. У загальному випадку (див. рис. 1-в) t = t + t, тому уявляється доцільним розглянути загальний варіант просочення за припущення, що швидкість руху наповнювача крізь просочувальну ванну визначається швидкістю (кінетикою) просочення наповнювача.
Кінетичні рівняння, що випливають з уточненої математичної моделі, отримані за припущення течії в'язкої рідини, що не стискується, у системі випадкових пор пористого середовища з використанням класичної теорії фільтрації для ламінарної течії полімерної рідини (внаслідок її високої в'язкості).
Рис. 1. Схеми процесу просочення: а ─ поздовжнє; б ─ поперечне; в ─ загальний випадок
У випадку, якщо пори наповнювача, які з'єднані між собою, розташовані регулярно (ткані або джгутові структури), і довжини та діаметри їх співрозмірні, характеристикою процесу просочення може слугувати загальна висота рівня просочувальної рідини, що підіймається під дією капілярних сил, або швидкість пенетрації.
Як характеристику поперечного просочення для тканого наповнювача (або продольного просочення для джгута) приймається загальна висота рівня просочувальної рідини. Швидкість пенетрації (або поздовжнього просочення у випадку джгута) може бути знайдена з рівняння рівноваги сил, що діють у капілярі:
ΔР = ΔРзовн + ΔРгідр + ΔРвязк = 0, (1)
де ΔРзовн - зовнішні сили, що віднесені до одиниці площі поперечного перетину; ΔРгідр - гідростатичний тиск; ΔРвязк - сили в'язкого тертя, віднесені до одиниці площі поперечного перетину.
Після підстановки у рівняння (1) відповідних виразів для діючих сил, будемо мати кінетичне рівняння процесу просочення:
ΔР = Syд σжгcosΘ - ε ρ g h Δh + = 0, (2)
де σтж - поверхневий натяг на границі розділу "тверде тіло - рідина"; Θ - крайовий кут змочування; ε - пористість; ρ - густина рідини; g - прискорення сили тяжіння; η - в'язкість рідини; rеф - ефективний (еквівалентний) радіус пор; Syд - поверхня одиниці об'єму капілярно-пористого тіла; Sтр - поверхня тертя течії рідини в одиниці об'єму тіла.
Розв'язок рівняння (2) має вигляд:
. (3)
При t → ∞ максимальна висота підйому рідини (гранична висота поздовжнього просочення) h∞ дорівнює:
. (4)
Тоді формула (3) прийме вигляд
, . (5)
Рівняння (5) для малих часів з урахуванням розкладання логарифмічної функції в ступеневий ряд і нехтування членами ряду більш, ніж третього порядку малості, запишеться таким чином:
, (6)
тобто час, необхідний для просочення волокнистого наповнювача полімерним зв'язуючим на висоту h, прямо пропорційний h і обернено пропорційний еквівалентному капілярному радіуса rеф. Час просочення є, очевидно, мінімально необхідним часом знаходження волокнистого наповнювача у ванні у випадку "вільного" просочення.
Для досліджуваниого тканого армуючого наповнювача, тобто наповнювача з регулярною структурою, за умови Sтр≈Sуд матимемо вираз для ефективного радіуса пор rеф:
. (7)
З рівняння (7) випливає, що знаючи реологічні властивості просочувального зв'язуючого і маючи експериментальну кінетичну криву процесу просочення, можна розрахунковим шляхом знайти значення ефективного радіуса пор rеф. З аналізу рівнянь (6) і (7) також випливає, що обробка кінетичних кривих, отриманих при різних значеннях зусилля натягнення армуючого наповнювача, дозволяє отримати залежність ефективного радіуса пор від зусилля натягнення армуючого наповнювача N.
Отримані співвідношення можуть бути використані для оцінки часу, швидкості просочення і максимальної висоти підйому зв'язуючого в джгуті, наприклад, для рулонного методу просочення, методу просочення шинкою капілярного насичення, методу пульверизації тощо. Зміна величин, що входять у (3), (6), (7), а саме збільшення значення σcosΘ, η, Syд, а також зменшення Θ, ρ і ε, наприклад, за рахунок ефективної УЗ-дії, призводить до підвищення максимальної висоти підйому зв'язуючого за мінімальний час.
Четверта глава присвячена прогнозуванню технологічних параметрів процесу поздовжнього і поперечного просочення (час, температура і швидкість просочення, зусилля натягнення) експериментальних зразків волокнистих наповнювачів розчинами полімерних зв'язуючих з використанням оптичного методу світлопропускання.
Технологічні параметри процесу просочення визначаються розрахунковим шляхом по зміні кінетичних кривих світлопропускання у часі.
Для дослідження кінетики поздовжнього просочення волокнистих наповнювачів використовували метод капілярного підйому зв'язуючого по волокну, що моделює реальні умови просочення армуючих наповнювачів полімерним зв'язуючим. На рис. 2 зображені характерні кінетичні криві поздовжнього просочення для склоровінгу при температурі просочення 50 °С та зусиллі натягнення наповнювача N = 30 Н/м.
Рис.2. Характерні кінетичні криві поздовжнього просочення склоровінгу епоксидним зв'язуючим: (○) - експериментальна крива; (●) - крива, побудована за рівнянням (6)
З рис. 2 видно, що рівняння (6) і (7) з високою точністю (розбіжність не перевищує 10%) описують кінетику просочення волокнистого наповнювача.
Залежність розрахункового значення ефективного капілярного радіуса орієнтованого склонаповнювача rеф від зусилля натягнення наповнювача N при температурі просочення 50оС зображена на рис. 3, з якого слідує вірність припущення про зміну ефективного капілярного радіуса із зміною зусилля натягнення наповнювача.
Експериментальні дослідження кінетики поперечного просочення відповідно до розробленої удосконаленої методики проводили на лабораторному пристрої, в комплект якого входить експериментальний зразок вимірювача світлопропускання, що має діапазон вимірювань коефіцієнта направленого світлопропускання від 0,000001 до 0,96 в діапазоні довжин хвиль від 400 до 700 нм.
Рис.3. Залежність розрахункового значення ефективного капілярного радіуса rеф(N)
На рис. 4 показані характерні кінетичні криві просочення зразків склоровінгу, а на рис. 5 - для склотканини Т-10-80 у залежності від зусилля натягнення N (Н/м), де Р - прикладене навантаження (Н); цифри в дужках - зусилля натягнення в перерахунку на одну нитку склоровінгу (Н/м); t - час поперечного просочення (с).
Рис. 4. Кінетичні криві поперечного просочення зразків склоровінгу у залежності від зусилля натягнення N
Аналізуючи приведені на рис. 4-5 кінетичні криві, можна помітити, що із збільшенням зусилля натягнення N товщина зразка і швидкість поперечного просочення меншає внаслідок граничного ущільнення волокон, а час досягнення насичення збільшується. При зусиллі натягнення N ≥ 700 Н/м для склотканини Т-10-80 і N≥ 0,30 Н/м на одну нитку для склоровінгу швидкість поперечного просочення практично не міняється.
|
Рис.5 Кінетичні криві просочення зразків склотканини Т-10-80 у залежності від зусилля натягнення N |
Ця відмінність в натягненні пов'язана, мабуть, з відмінностями змочування зв'язуючим поверхні волокон і перетину, а також текстильно-технологічних властивостей волокнистих наповнювачів досліджуваних типів. Для інших марок досліджених склотканин усі кінетичні криві є подібними до кривих, показаних на рис. 4-5.
Таким чином, прогнозовані параметри процесу просочення визначаються розрахунковим шляхом по зміні кінетичних кривих світлопропускання у часі.
У п'ятій главі досліджується ефективність впливу параметрів ультразвукової обробки на технологічні характеристики епоксидних олігомерів, зв'язуючих і полімерів на їх основі, а також на кінетику просочення волокнистих наповнювачів. На базі цих досліджень розроблена інженерна методика розрахунку параметрів ефективних пристроїв для УЗ-інтенсифікації процесу просочення.
Встановлено, що в результаті УЗ-обробки олігомеру (зв'язуючого) пiдвищується на 30-50% змочувальна спроможнiсть полiмерної матрицi при одночасному зменшеннi коефiцiєнта варiацiї (розкиду) характеристик мiцностi у 2-3 рази, що сприяє більш швидкому і якісному просоченню, тобто попередня УЗ-обробка епоксидних олігомерів поліпшує їх технологічні характеристики.
Проведені дослідження дозволили розробити ефективні технологічні режими переробки рідинних епоксидних полімерів з використанням низькочастотної УЗ-кавітаційної технології, що дозволяють підвищити експлуатаційні характеристики зв'язуючих і полімерів на їх основі.
Для досліджених епоксидних олігомерів і зв'язуючих на їх основі можна рекомендувати наступні ефективні параметри озвучення концентратором поздовжніх УЗК (тобто попередньої УЗ-обробки): частота f =16... 24 кГц; амплітуда А =10...30 мкм; час озвучення τ =25...35 хв; температура озвучення Т=50...80°С; відношення площі випромінювача поздовжніх УЗК до маси наважки епоксидної основи (4-5)·10-3 м/кг.
Супутнім позитивним результатом УЗ-обробки досліджених епоксидних смол є зменшення часу затвердження композицій на їх основі у 2-3 рази в порівнянні з традиційною технологією. Це дозволяє оптимізувати технологічні параметри виготовлення виробів (зокрема, скоротити тривалість сушіння просочених епоксидною композицією тканих волокнистих наповнювачів у сушильно-полімерізаційній камері), а також підвищити продуктивність праці при їх формуванні (тобто швидкість протягування).
Для оцінки впливу УЗ-обробки на кінетику просочення волокнистих наповнювачів полімерними зв'язуючими досліджували два варіанти процесу поздовжнього УЗ-просочення:
). просочення наповнювача неозвученим і озвученим по оптимальному режиму зв'язуючим і УЗ-вплив концентратором на наповнювач, що просочується, неозвученим і озвученим зв'язуючим (варіант І);
2). короткочасовий УЗ-вплив концентратором на поверхню непросоченого наповнювача і УЗ-обробка просоченого обробленого наповнювача озвученим зв'язуючим (варіант ІІ).
Внаслідок ефективної обробки, а також прояву віброакустичного ефекту загальна висота підйому зв'язуючого при УЗ-просоченні наповнювача озвученим зв'язуючим (варіант II) збільшилась у 2,5...4 рази для олігомера ЕД-20 і в 4...6 разів для олігомера УП-631-МК.
Розроблена на базі проведених досліджень інженерна методика розрахунку параметрів пристроїв для УЗ-інтенсифікації процесу просочення і озвучення зв'язуючого дозволяє визначити ефективні параметри УЗ-обробки (час і температуру просочення, частоту і амплітуду УЗК, об'єм та ширину ємності для озвучення).
Шоста глава присвячена розробленню і впровадженню ефективних технічних засобів (режимів та пристроїв) для просочення волокнистих наповнювачів і дозованого нанесення полімерного зв'язуючого з застосуванням УЗК, що базуються на попередньо проведених дослідженнях і на розробленій у главі 5 інженерній методиці.
Відповідно до розроблених режимів, здійснюють попередню двосторонню контактну УЗ-обробку поверхні тканого матеріалу, що непросочився, при симетричній подачі УЗК з регулюванням їх інтенсивності і кута подачі до поверхні цього матеріалу. Цю обробку здійснюють на частоті коливань 18-22 кГц, амплітуді 2-5 мкм, інтенсивності 2-5 Вт/см протягом 0,5-10 с із дозованим зусиллям притискання 5-10 Н при варіюванні кута подачі коливань до поверхні матеріалу 0-5о.
Контактний вплив на поверхню матеріалу із заздалегідь нанесеним на нього зв'язуючим здійснюють на частоті коливань 18-22 кГц, амплітуді 3-5 мкм, інтенсивності 2-5 Вт/см протягом 0,5-5 с і з зусиллям притискання 5-15 Н при варіюванні кута подачі коливань до поверхні матеріалу 5-30о і зсуві їх по фазі 0-90о. Розроблені режими реалізовували за допомогою відповідного експериментального обладнання (див. рис. 6).
Рис. 6. Експериментальне обладнання для просочення волокнистих тканих наповнювачів і дозованого нанесення полімерного зв'язуючого з застосуванням УЗК
Як слідує із аналізу рівняння (6), для збільшення швидкості просочення, крім інших чинників, необхідно збільшити питому внутрішню поверхню капіляру (тобто збільшити Sуд), або підвищити шорсткуватість його стінок.
Для цього проводили фізичну активацію його поверхні і попередню дегазацію непросоченого матеріалу за допомогою УЗ. Після змотування з бобіни 5 матеріалу 4 його активацію і дегазацію проводили з інтенсивністю УЗК I і I і дозованим зусиллям притискання F і F за допомогою пари робочих інструментів 14 і 15, які контактують з матеріалом 4 по всій поверхні випромінюючих пластин.
У разі використання матеріалів з малою товщиною і рідкою структурою, робочі інструменти 14 і 15 розташовують паралельно поверхні матеріалу 4, що не просочився і що обробляється, на змінній відстані δ від нього (що, як правило, не перевищує товщину матеріалу, що просочується), або під кутами нахилу α і α до площини матеріалу 4, що обробляється, які лежать в межах 0-5о. При цьому робочі елементи 14 і 15 контактують з цим матеріалом ребром краю випромінюючої пластини.
Після цього матеріал 4 поступає в просочувальну ванну 1 зі зв'язуючим 2. Після виходу з ванни забезпечується попереднє неконтрольоване нанесення зв'язуючого 2 на матеріал 4, що заздалегідь просочився.
Матеріал 4, що просочився, обробляють з двох сторін УЗ-перетворювачами у вигляді випромінюючих прямокутних пластин 11 і 12, які мають індивідуальні приводи від УЗ-генератора 13, що виконані у вигляді УЗ-магнітострикційних перетворювачів. Останні контактують з матеріалом 4, що просочився і що обробляється, ребром краю прямокутної випромінюючої пластини із змінним зусиллями притискання F і F відповідно.
Причому робочі інструменти 11 і 12 розташовані зі зміщенням один відносно одного по довжині матеріалу 4, що обробляється, по обидва боки відносно нього і під різними кутами нахилу α і α до площини матеріалу, що лежать в межах 5-30о.
Варіювання вмісту зв'язуючого, рівномірність його розподілу в матеріалі і видалення надлишку зв'язуючого здійснюють регулюванням кута нахилу α1 і α випромінюючої пластини до поверхні матеріалу 4, зміною потужності (інтенсивності I і I), що підводиться до перетворювачів, а також дозуванням зусиль притискання F і F.
Перевагою даного режиму є збільшення верхньої межі зусилля натягнення матеріалу при видаленні надлишків зв'язуючого з його поверхні. При використанні розроблених режимів також в значній мірі виключається залежність нанесення від швидкості протягування матеріалу, що просочився. Адже у відомих способах при високих швидкостях протягування в процесі просочення матеріалу при вході його у ванну і контактування із зв'язуючим відбувається попадання атмосферного повітря між зв'язуючим і матеріалом.
У разі використання низьков'язких зв'язуючих пухирці повітря лопаються, утворюючи раковини. У разі ж застосування високов'язких складів частина пухирців залишається і в нанесеному на матеріал шарі зв'язуючого. При використанні високов'язких зв'язуючих кут подачі коливань α, як і інтенсивність У3К, збільшується, і навпаки.
Для експериментально досліджених склотканих матеріалів марок "Е3-200" і "Т-10-80" шириною 1000 мм, які просочували епоксидними зв'язуючими УП-631 і ЕДТ-10 при температурі 30°С, значення кутів нахилу випромінюючих пластин до поверхні матеріалу становили 10-30°.
Швидкість протягування варіювалася в межах 0,01-0,035 м/с. Габарити випромінюючої пластини становили 1100х200х10 мм, амплітуда коливань 2-5 мкм, вихідна потужність 8 кВт, частота 18-22 кГц, інтенсивність УЗК 2-5 Вт/см, зусилля притискання 5-15 Н. Величина нанесення зв'язуючого становила 35-40%.
Слід особливо зазначити, що наперед задане 35% нанесення зв'язуючого у відомих способах досягалося при швидкості протягування 0,012 м/с при коефіцієнті варіації нанесення 18%, тоді як в технології, що реалізується за допомогою обладнання (див. рис. 6) - при швидкості протягування 0,03-0,035 м/с і коефіцієнті варіації нанесення 4-5% .
При використанні розроблених режимів рівномірність розподілу зв'язуючого по матеріалу після видалення надлишків зв'язуючого (коефіцієнт однорідності) збільшилася в 1,5-2 рази в порівнянні зі способом аналога. При однакових же значеннях в'язкості швидкість протягування зросла в 1,3-1,5 рази при одночасному збільшенні коефіцієнта однорідності в 1,2 рази і зменшенні коефіцієнта варіації нанесення в 1,2-1,5 рази. Відбувається також збільшення швидкості видалення надлишків зв'язуючого за рахунок збільшення швидкості протягування, що забезпечує задане нанесення зв'язуючого.
Таким чином, результатом розробленої дослідної технології і обладнання є збільшення продуктивності процесу просочення і дозованого нанесення зв'язуючого, тобто швидкості протягування матеріалу і швидкості видалення надлишків зв'язуючого при отриманні однорідного матеріалу, що просочився, практично без повітряних включень.
Результати дослідно-промислового впровадження розробленої дослідної технології і обладнання з застосуванням УЗК на просочувально-сушильній машині МПТ-3 на КЗПМ (м. Бровари) показали, що ця технологія може розглядатись як ефективний засіб, що сприяє отриманню постійного наперед заданого значення вмісту полімерного зв'язуючого у просоченому тканому волокнистому наповнювачі при варіюванні швидкості протягування наповнювача у просочувальній ванні у випадку застосування запропонованих режимів і обладнання для УЗ-обробки.
У додатках містяться документи, що свідчать про промислове впровадження розробленої технології та обладнання, розрахунок економічної ефективності від їх впровадження, а також отримані за темою дисертації деклараційні патенти України на винаходи і Свідоцтво України про державну реєстрацію прав автора на твір (що засвідчує права на основні результати дисертаційної роботи, які отримані особисто пошукачем).
ВИСНОВКИ
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
АНОТАЦІЯ
Кудряченко В.В. Розроблення ефективних режимів та обладнання для просочення тканих наповнювачів полімерними зв'язуючими - Рукопис
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.08 - процеси та обладнання хімічної технології, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2002.
Захищається рукопис, який вміщує в собі теоретичні і експериментальні дослідження, що покладені в основу розроблених ефективних режимів та обладнання для просочення тканих наповнювачів полімерними зв'язуючими.
У дисертації мiститься аналіз аспектів підвищення продуктивності засобів для просочення волокнистих матеріалів полімерними зв'язуючими шляхом застосування механічних коливань. На основі теоретичних досліджень було отримано уточнену математичну модель процесу просочення тканих волокнистих наповнювачів полімерними зв'язуючими. Описується розроблений підхід до прогнозування технологічних параметрів процесу просочення виробів на основі тканих наповнювачів та полімерних зв'язуючих з використанням оптичного методу світлопропускання. Досліджується ефективність впли-ву параметрів ультразвукової обробки на технологічні характеристики епоксидних олігомерів, зв'язуючих і полімерів на їх основі. Аналізується перспективність розроб-лених і впроваджених технічних засобів для просочення волокнистих наповнювачів і дозо-ваного нанесення полімерного зв'язуючого з застосуванням ультразвукових коливань.
Ключовi слова: процес, обладнання, просочення, полімер, наповнювач, зв'язуюче, епоксид, тканина, технологія, ультразвук, нанесення, дозування
АННОТАЦИЯ
Кудряченко В.В. Исследование эффективных режимов и оборудования для пропитки тканых наполнителей полимерными связующими - Рукопись
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.08 - процессы и оборудование химической технологии, Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2002.
Защищается рукопись, содержащая теоретические и экспериментальные исследования, которые положены в основу разработанных эффективных режимов и оборудования для пропитки тканых наполнителей полимерными связующими.
В диссертации содержится анализ аспектов повышения производительности средств для пропитки волокнистых материалов полимерными связующими путем применения механических, а именно ультразвуковых низкочастотных колебаний. На основании теоретических исследований была получена уточненная математическая модель процесса пропитки тканых волокнистых наполнителей полимерными связующими.
Описывается разработанный подход к прогнозированию технологических параметров процесса пропитки изделий на основе тканых наполнителей и полимерных связующих с использованием оптического метода светопропускания. Подход предусматривает разработку усовершенствованной методики прогнозирования технологических параметров процесса пропитки, а также лабораторное устройство для реализации разработанной методики, которые защищены двумя патентами Украины на изобретения.
Прогнозируемые технологические параметры процесса пропитки определяются расчетным путем по изменению кинетических кривых светопропускания во времени. Использование разработанной усовершенствованной методики позволяет проводить более достоверное исследование кинетики процесса пропитки тканых наполнителей полимерными связующими как за счет учета капиллярно-пористых свойств исследуемого образца, его толщины, условий пропитки (натяжения образца, температуры пропитки, свойств связующего), так и за счет локализации и использования модулируемого светового излучения в зоне пропитки.
Разработана экспериментальная методика определения эффективного капиллярного радиуса волокнистого наполнителя на основании анализа кинетических кривых процесса пропитки с учетом усилия натяжения наполнителя при пропитке. Подтверждено предположение об изменении эффективного капиллярного радиуса с изменением усилия натяжения наполнителя при пропитке.
Исследована эффективность влияния параметров ультразвуковой обработки на технологические характеристики эпоксидных олигомеров, связующих и полимеров на их основе. Разработаны эффективные технологические режимы и оборудование для обработки жидких эпоксидных полимеров с использованием низкочастотной УЗ-кавитационной технологии, которые позволяют на 30-50% повысить технологические характеристики связующих и полимеров на их основе, а также смачивающей способности полимерной матрицы. Это содействует более быстрой и качественной пропитке. Эффективные технологические режимы защищены патентом Украины на изобретение.
Анализируется перспективность разработанных и внедренных технических средств для пропитки волокнистых наполнителей и дозированного нанесения полимерного связующего с применением ультразвуковых колебаний. Даны рекомендации по применению эффективных режимов ультразвуковой обработки для повышения качества процесса пропитки, а также постоянства величины дозированного наноса полимерного связующего в пропитанном наполнителе.
Разработана инженерная методика расчета параметров устройств для ультразвуковой интенсификации процесса пропитки и озвучивания связующего, которая позволяет определить эффективные параметры ультразвуковой обработки (время и температуру пропитки, частоту и амплитуду ультразвуковых колебаний, объем емкости для озвучивания).
Анализируются особенности разработанной и внедренной опытной технологии пропитки волокнистых наполнителей и дозированного наноса полимерного связующего с применением ультразвуковых колебаний. Результатом разработанной технологии, которая реализуется при помощи разработанных экспериментальных УЗ-устройств, является увеличение производительности процесса пропитки и дозированного наноса связывающего. Это позволяет повысить скорость протягивания материала и удаления излишков связующего при получении однородного пропитанного материала практически без воздушных включений, а также использовать более вязкие и более концентрированные пропитывающие составы, либо составы с дисперсным наполнителем. Разработанная технология и оборудование для пропитки и дозированного наноса связующего защищены двумя патентами Украины на изобретения.
Ключевые слова: процесс, оборудование, пропитка, полимер, наполнитель, связующее, эпоксид, ткань, технология, ультразвук, нанос, дозирование
SUMMARY
Kudryachenko V.V. Investigation of effective impregnation process routines and equipments of woven filaments by polymer binders - Manuscript
Dissertation to receive the Candidate of Technical Sciences Degree on the speciality 05.17.08 - Processes and Equipment of Chemical Technology, National Technical University of Ukraine Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, 2002.
The manuscript represents the theoretical and experimental researches, which fixed in elaboration base of effective impregnation process routines of woven filaments by polymer binders.
In dissertation is contained a funds productivity rise aspects analysis for impregnation of fibred materials by polymer binders by dint of application of mechanical oscillations. On foundation of theoretical researches was got a specified mathematical impregnation process model of woven fibred filaments by polymer binders. Describes worked up approach to prognostication of technological impregnation processes parameters on foundation of woven filaments by polymer binders with use of optical method lightpretermiting. Explores parameters dominance effectiveness of ultrasonic processing on descriptions technological and strengthening epoxy olygomers, binders and polymers on their base. Analyses of advanced research of worked up and inculcated technical funds for impregnation of fibred filaments and measured out in doses drawing polymer binders with application ultrasonic. The recommendations on application of effective routines of ultrasonic processing for upgrading impregnation process, and also to size constancy of measured out in doses drawing polymer binders in impregnated with filament are given.
Key words: process, equipment, impregnation, polymer, filament, binder, epoxy, cloth, technology, ultrasonic, drawing, dosage