Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема модификации полимерных материалов 11
1.1. Эпоксидные полимерные материалы 12
1.2. Способи модификации свойств эпоксидных компаундов 16
1.3. Воздействие СВЧ электромагнитных колебаний на диэлектрики ... 21
1.3.1 Особенности воздействия СВЧ электромагнитного поля 21
1.3.2. Нетепловое СВЧ воздействие на полимеры 25
Выводы 32
2. Исследование влияния СВЧ электромагнитных колебаний на процесс отверждения эпоксидного компаунда 34
2.1. Проверка гипотезы о влиянии СВЧ электромагнитных колебаний на процесс отверждения эпоксидного компаунда 34
2.1.1. Методика исследования 34
2.1.2. Результаты исследований 37
2.2. Исследование влияния режимов СВЧ обработки эпоксидного компаунда в камере с бегущей волной 41
2.2.1. Конвейерная СВЧ установка для научных исследований 41
2.2.2. Выбор параметров управления процессом отверждения эпоксидного компаунда в СВЧ электромагнитном поле 47
2.2.3. Методика исследования 50
2.2.4. Построение эмпирической модели 53
2.2.5. Оптимизация процесса отверждения эпоксидного компаунда в СВЧ электромагнитном поле 63
2.2.6. Анализ результатов исследований 68
Выводы 74
3. Влияние СВЧ электромагнитного поля на структуру эпоксидного компаунда 77
3.1. Исследование влияния СВЧ электромагнитного поля на структуру эпоксидного компаунда методом ИК-спектроскопии 77
3.2. Особенности формирования структуры эпоксидных компаундов в процессе СВЧ отверждения 82
3.3. Фазовые переходы в полимерах при воздействии СВЧ электро магнитных колебаний 87
4. СВЧ электротехнологические установки модифицирующего воздействия на эпоксидный компаунд
4.1. Структурная схема СВЧ установки модифицирующего воздействия 93
4.2. Рабочие камеры СВЧ установок для модификации эпоксидного компаунда 99
4.2.1. Камеры лучевого типа для модификации эпоксидного компаунда при изготовлении изделий с большими поверхностями... 100
4.2.2. Камеры с бегущей волной для модификации эпоксидного компаунда 105
Выводы 121
5. Разработка технологических рекомендаций отверждения эпоксидного компаунда в СВЧ электромагнитном поле 123
5.1. Особенности изготовления силовых трансформаторов с литой изоляцией обмоток 123
5.2. Технологические рекомендации по изготовлению силовых трансформаторов с литой изоляцией с применением СВЧ электромагнитного поля 125
Выводы 128
Заключение 130
Приложения 132
Литература 156
- Воздействие СВЧ электромагнитных колебаний на диэлектрики
- Исследование влияния режимов СВЧ обработки эпоксидного компаунда в камере с бегущей волной
- Особенности формирования структуры эпоксидных компаундов в процессе СВЧ отверждения
- Рабочие камеры СВЧ установок для модификации эпоксидного компаунда
Введение к работе
Актуальность темы. Объем мирового производства и потребления всех видов полимерных материалов неуклонно возрастает. Среди множества полимерных конструкционных материалов важное место занимают эпоксидные смолы благодаря ценному комплексу присущих им свойств и универсальности применения в составе различного рода литьевых и пресс материалов, стеклопластиков, компаундов, клеев, лакокрасочных покрытий, а так же в качестве конструкционных материалов для деталей машин, приборов и механизмов [1-12].
В условиях новых экономических отношений особую актуальность приобретает возможность быстрого реагирования на запросы рынка, что может быть достигнуто путем модифицирования свойств полимерных материалов, использованием новых технологических приемов для придания им требуемых качественных характеристик, а также созданием новых технологий, отвечающих технологическим, экономическим и экологическим требованиям современности.
В настоящее время для интенсификации процессов переработки и улучшения эксплуатационных свойств полимерных материалов широко используются электрофизические поля, в том числе упругие колебания звукового и ультразвукового диапазона частот, виброобработка, токи высокой частоты, лазерное и ультрафиолетовое излучения [13-19].
Необходимость в альтернативных технологиях модификации полимеров связана, в некоторых случаях, с многостадийностью традиционных процессов, высокими энерго- и трудовыми затратами, экологической напряженностью производства. Интенсивные исследования по применению электрофизических методов обработки материалов и изделий показали эффективность использования для этой цели энергии сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных колебаний.
Значительные успехи в исследовании и разработке технологических процессов СВЧ обработки материалов достигнуты благодаря работам А.В. Нету-
шила, И.И. Девяткина, Ю.С. Архангельского, В.А. Коломейцева, И.А. Рогова, В.В. Игнатова, СВ. Некрутмана и др.
Однако исследования о влиянии СВЧ электромагнитного поля (СВЧ ЭМП) на процесс отверждения эпоксидных компаундов (ЭК) и модификацию их свойств не проводились. Поэтому разработка технологического процесса модификации ЭК при воздействии СВЧ ЭМП на базе исследований процесса СВЧ отверждения и установления влияния основных технологических параметров СВЧ обработки на свойства ЭК являются весьма актуальной научно-технической задачей.
Таким образом, цель работы заключается в улучшении эксплуатацион
ных свойств изделий и конструкций с эпоксидным компаундом на основе оп
тимизации технологических режимов его отверждения в СВЧ ЭМП, обеспечи
вающей повышение прочности и теплостойкости ЭК, и разработка методик
расчета нового СВЧ электротехнологического оборудования для модификации
ЭК. !
Для достижения поставленной' цели необходимо решить следующие задачи:
разработать гипотезу о модифицирующем влиянии СВЧ ЭМК на процесс отверждения ЭК;
разработать методику исследования влияния СВЧ ЭМП на процесс отверждения ЭК;
исследовать влияние основных технологических параметров СВЧ воздействия на кинетику отверждения, структуру, физико-механические свойства ЭК;
провести оптимизацию технологических режимов СВЧ воздействия на ЭК с целью достижения максимальных значений эксплуатационных свойств;
разработать конструкции СВЧ установок для модификации ЭК и провести расчёт рабочей камеры СВЧ установки модифицирующего воздействия;
разработать технологические рекомендации высокоинтенсивного процесса отверждения ЭК в- СВЧ' ЭМП при производстве силовых трансформаторов с повышенной прочностью и теплостойкостью литой изоляции, обмоток.
7 Научная новизна работы состоит в следующем:
Установлено модифицирующее влияние СВЧ электромагнитного поля на процесс отверждения ЭК, которое приводит к активации дипольно-групповой поляризации компаунда и изменению его топологической структуры, что обеспечивает повышение прочности ЭК в 3-4 раза, теплостойкости в 1,4-1,6 раза и ускорение процесса его отверждения в 5-6 раз, по сравнению с ЭК, отвержденным на воздухе в естественных условиях.
Впервые определены оптимальные параметры технологического процесса отверждения эпоксидного компаунда в СВЧ ЭМП {Рге,г= 560 Вт, ?свч = 9,9 с, объемное соотношение смолы и отвердителя в компаунде A=VcJVome = 12,4), позволяющие получать эпоксидный компаунд с пределом прочности на разрыв - 41,2 МПа, теплостойкостью 80,3 С, при ускорении процесса отверждения в 5-6 раз.
Получены эмпирические зависимости, адекватно описывающие процесс отверждения ЭК в диапазоне изменения параметров СВЧ воздействия Ргеп- 130-700 Вт, тСвч= 6-12 с,А = VCM/Vome = 10-14, позволяющие оценить меру влияния факторов на прочность и теплостойкость.
Получена математическая модель, описывающая влияние на фазовые переходы в полимерах различных способов энергоподвода.
Предложены конструкции и методики расчета камер лучевого типа и камер с бегущей волной, позволяющие определить рабочие режимы указанных камер с учетом особенностей технологического процесса СВЧ отверждения эпоксидного компаунда.
Практическая значимость результатов работы:
Обработка эпоксидного компаунда в СВЧ ЭМП в процессе его отверждения обеспечивает повышение предела прочности на разрыв в 3-4 раза, теплостойкости в 1,4-1,6 раза и ускорение процесса его отверждения в 5-6 раз, по сравнению с ЭК, отвержденным на воздухе в естественных условиях.
Разработана и изготовлена специализированная конвейерная СВЧ установка для модифицирующего СВЧ воздействия на диэлектрики, отличающаяся возможностью регулирования уровня генерируемой мощности в диапа-
8 зоне от 130 Вт до 3000 Вт и продолжительности процесса обработки объекта от 6 с до 100 с в методическом режиме работы установки.
Разработаны технологические рекомендации по изготовлению литой изоляции обмоток с применением СВЧ энергии, позволяющие при Рге,і= 560 Вт, ?свч= 9,9 сиА = Vcs/Vome = 12,4 сократить время изготовления обмоток с 2-3 суток до 5 ч, увеличить производительность в 15 раз.
Результаты диссертационной работы внедрены на ООО ИТФ «Элмаш-Микро» (г. Саратов) при производстве специализированных конвейерных СВЧ установок.
Технология СВЧ отверждения ЭК рекомендована к промышленному внедрению на ЗАО «Завод специальных автомобилей» (г. Энгельс) при производстве композиционных полимерных панелей.
Результаты диссертационной работы используются при выполнении курсовых работ, чтении курсов лекций по дисциплинам «СВЧ электротермические установки и системы» для студентов специальности 140605 - «Электротехнологические установки и системы» и «Применение СВЧ энергии в технологических процессах» для магистров направления 140600 - «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». В рамках темы диссертационной работы защищены три дипломных проекта.
Научные положения, выносимые на защиту:
Воздействие СВЧ электромагнитного поля на процесс отверждения ЭК при уровнях генерируемой мощности Рге„= 130-700 Вт и времени СВЧ обработки хсвч — 6-12 с может приводить к активации дипольно-групповой поляризации компаунда и как следствие к изменению его топологической структуры, характеризующей распределение, размер агломератов и их густоту в структуре отвердевшего ЭК, что обеспечивает повышение его прочности в 3-4 раза, теплостойкости в 1,4-1,6 раза и ускорение процесса отверждения в 5-6 раз, по сравнению с ЭК, отвержденным на воздухе в естественных условиях.
Математические модели, учитывающие влияние технологических режимов СВЧ обработки {Рген = 560 Вт, хСвч — 9,9 с) на параметры оптимизации (предел прочности на разрыв и теплостойкость) адекватно описывают процесс
9 отверждения ЭК в СВЧ ЭМП, позволяют исследовать влияние на фазовые переходы в полимерах при воздействии СВЧ электромагнитных колебаний.
3. Рабочие режимы камер лучевого типа и камер с бегущей волной определяются предложенными методиками расчета, учитывающих значения напряженности электрического для модификации эпоксидного компаунда.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 9-й Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003), на Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, СГТУ, 2004), на Международной-научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ-21 (Саратов, СГТУ, 2008), на Международной научной конференции «Электромеханика, электротехнологи^ электротехнические материалы и компоненты», МКЭЭЭ-2008 (Алушта^ 2008),: а также на нат учных семинарах кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки^ и системы» (2003-2008- г.г.) и ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (2003-2005 г.г).
Диссертационная работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» в рамках плана научной ведущей школы России по Гранту Президента РФ для государственной поддержки ведущих школ РФ № НШ-9553.2006.8 (СГТУ №160) и внутривузовского основного научного направления 05 .В. «Научные основы проектирования, исследование параметров и режимов электронных, электрорадиотехнологических установок, систем и технологий» [20-24].
Публикации. Основные результаты диссертации автором опубликованы в 14 печатных работах, из них 3 работы в журналах из перечня ВАК. Новизна конструктивных решений подтверждена положительным; решением по заявке на полезную модель.
10 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 4 приложений и списка используемой литературы. Работа изложена на 174 страницах, содержит 20 таблиц, 52 рисунка. Список использованной литературы включает 164 наименования.
Воздействие СВЧ электромагнитных колебаний на диэлектрики
Высокочастотным нагревом, диэлектрическим или сверхвысокочастотным нагревом называется нагрев объекта энергией электромагнитного поля (ЭМП) высокой или сверхвысокой частоты. Электромагнитная волна, проникающая в объект, взаимодействует с заряженными частицами. Совокупность таких микроскопических процессов приводит к поглощению энергии поля в объекте. Полное описание этого эффекта может быть получено лишь с помощью квантовой теории. Однако для успешного проектирования СВЧ электротермических устройств достаточно ограничиться учетом макроскопических свойств материальной среды, описываемых классической физикой [65, 66].
В зависимости от расположения в них зарядов, молекулы диэлектрической среды могут быть полярными и неполярными. В некоторых молекулах расположение зарядов столь симметрично, что в отсутствии внешнего электрического поля их электрический дипольный момент равен нулю. Полярные молекулы обладают некоторым электрическим дипольным моментом и в отсутствии внешнего поля. При наложении внешнего электрического поля неполярные молекулы поляризуются, то есть симметрия расположения их зарядов нарушается, и молекула приобретает некоторый электрический момент.
Под действием внешнего поля у полярных молекул не только меняется величина электрического момента, но и происходит поворот оси молекулы по направлению поля. Обычно различают электронную, ионную, дипольную и структурную поляризации, так что выделение тепла, возможно, даже в отсутствии тока проводимости [66-68].
С макроскопической точки зрения выделение теплоты за счет тока проводимости и поляризации неотличимо друг от друга, а потому относительную диэлектрическую проницаемость є среды представляют в виде [65] диэлектрической проницаемости среды; cr — удельная проводимость среды; со — круговая частота; tgd — тангенс угла диэлектрических потерь среды, 0 = 1(Г73б7С [Ф/м],
При проектировании СВЧ электротехнологических устройств особое значение имеет мощность тепловых потерь Рп . Так как при гармонических колебаниях обычно оперируют со средним за период значениями мощности где звездочкой отмечены комплексно сопряженные значения комплексных амплитуд векторов напряженности электрического Е и магнитного Н полей. Удельная мощность тепловых потерь имеет вид согласно закону Джоуля-Ленца величина 0,5а s"e Е выражает объемную плотность мощности, выделяющейся в среде при протекании в ней тока проводимости с плотностью j = стЕ. В идеальном диэлектрике а = 0 и первый член в (1.2) равен нулю.
Второе и третье слагаемые в (2) определяют объемную плотность мощности, выделяющейся в среде за счет смещения по фазе векторов диэлектрической D, магнитной В индукции и векторов Е и Н. Под действием внешнего магнитного поля электронная оболочка атома начинает прецессировать вокруг направления поля с определенной угловой скоростью. В переменном магнитном поле, кроме того, происходит переориентация магнитной оси атома. Эти явления приводят к выделению тепла в среде, описываемому третьим слагаемым в (1.2).
Если /i a = 1, ju" = О, то третье слагаемое равно нулю и тогда По (1.3) и (1.4) чем выше Е, тем больше мощность потерь и, следовательно, интенсивнее нагрев. Ограничение в увеличении Ё электрическая и тепловая прочность линии, по которой передается СВЧ энергия, и объекта нагрева [65].
Если определить глубину проникновения электромагнитной волны в среду 5Е как расстояние, на котором напряженность уменьшается в е раз, то
Глубину проникновения можно определить и как расстояние, на котором в е раз уменьшается мощность. Тогда СВЧ устройства для технологических целей работают на частотах, установленных международными соглашениями [65]. В диапазоне СВЧ наиболее часто используются электромагнитные колебания (ЭМК) на частотах 433, 915, 2450 МГц.
Выбрав достаточно высокую частоту для увеличения Руд, мы не получим необходимого выделения теплоты в глубине объекта, причем может произойти перегрев наружных слоев обрабатываемого материала.
Следует отметить, что величина дЕ характеризует глубину проникновения волны в объект лишь в первом приближении, так как ЭМП имеется на большем расстоянии от поверхности объекта, а энергия этого поля может оказаться достаточной для осуществления необходимого технологического воздействия. В общем случае глубина обработки может быть определена лишь из решения соответствующей технологическому процессу задачи, например о температурном поле объекта, тем более что є и tgd являются функциями температуры, отчего при термообработке ЗЕ меняется [65].
Соотношения (1.4) и (1.5) не могут быть использованы для выбора мощности генератора Р и его частоты /. Этот выбор может быть произведен лишь на базе системного подхода к расчету СВЧ электротехнологических установок (СВЧ ЭТУ). Следовательно, если вместо традиционных способов нагрева использовать нагрев с помощью энергии СВЧ ЭМК, то из-за проникновения волны в глубь объекта происходит преобразование этой энергии в теплоту не на поверхности, а в его объеме, и потому можно добиться более интенсивного нарастания температуры при большей равномерности нагрева по сравнению с традиционными способами нагрева. Последнее обстоятельство в ряде случаев приводит к улучшению качества изделия [16, 65, 69].
СВЧ термообработка обладает рядом преимуществ. Так, отсутствие традиционного теплоносителя обеспечивает стерильность и безинерционное регу лирование процесса обработки. Изменяя частоту, можно добиться нагрева различных компонентов объекта. СВЧ ЭТУ занимают меньшую площадь, чем аналогичные установки с традиционным энергоподводом, и оказывают меньшее вредное воздействие на окружающую среду при лучших условиях труда обслуживающего персонала..
Исследование влияния режимов СВЧ обработки эпоксидного компаунда в камере с бегущей волной
Для проведения исследований модифицирующего СВЧ воздействия на диэлектрики мною в составе группы была разработана и изготовлена на ООО ИТФ «Элмаш-Микро» (г. Саратов) конвейерная СВЧ установка для научных исследований с регулировкой уровня генерируемой мощности и продолжительности процесса обработки (рис. 2.9).
При разработке этой установки исходили из следующих требований: установка должна позволять проводить исследования воздействия СВЧ ЭМК на те параметры и характеристики обрабатываемого объекта (среды), которые должны быть использованы для реализации технологического процесса; установка должна быть рассчитана на работу с научно обоснованными минимальными объемами объекта (среды); установка должна реализовывать широкий спектр исследований для объектов (твердых, жидких, вязких) с разными диэлектрическими свойствами в зависимости от температуры и влажности; установка должна быть снабжена необходимыми измерительными приборами, с помощью которых можно было бы контролировать параметры СВЧ ЭМК; методическое обеспечение установки должно давать возможность исследователю выполнить работы, необходимые для полного исследования свойств обрабатываемого в СВЧ поле объекта.
Такие возможности предоставляет конвейерная СВЧ установка для научных исследований, структурная схема которой показана на рис. 2.10.
Основными элементами установки являются источник СВЧ энергии, фер-ритовый вентиль аттенюатор, пульт управления, рабочая СВЧ камера с конвейером, измерители падающей, отражённой мощности, калориметрическая нагрузка для измерения прошедшей мощности, пульт управления электропривод конвейера.
Установка предназначена для СВЧ обработки жидких, вязких и твердых полимерных материалов при ручной загрузке и выгрузке. Рабочая камера является основным элементом установки, поскольку в ней происходит СВЧ воздействие на обрабатываемый объект. В установке используется рабочая камера с бегущей волной (КБВ). Она представляет собой отрезок прямоугольного волновода и работает в режиме, близком к режиму бегущей волны. КБВ выгодно отличаются от КСВ возможностью получить лучшее согласование с СВЧ генератором, т.е. больший КПД и большую равномерность обработки [109].
Источник СВЧ энергии собран на магнетроне М-147 с максимальной мощностью 3 кВт и частотой 2450 МГц. Источник питания снабжен выпрямителем и фильтром, что позволяет обеспечить устойчивый непрерывный режим работы магнетрона. Подбор оптимальной частоты СВЧ воздействия на объект обработки представляет самостоятельный научный интерес, однако частота 2450 МГц была выбрана по следующим причинам: это одна из трех (433, 915 и 2450 МГц) разрешенная международными соглашениями и чаще всего используемая частота в технологических установках; применение других частот (433 и 915 МГц) потребовало бы применение на этапе исследования больших объемов (расходов) опытных образцов ЭК.
Что касается мощности, то выбран один из наиболее мощных источников энергии на частоте 2450 МГц. Для обеспечения надежной работы магнетрона (стабильная выходная мощность, отсутствие затягивания частоты) на выходе магнетрона используется ферритовый вентиль, развязывающий СВЧ генератор и нагрузку по отраженной волне (рис. 2.11 а).
Регулировка СВЧ мощности в установке осуществляется плавно с помощью тиристорного преобразователя и регистрируется по величине анодного тока. Точная установка заданной СВЧ мощности осуществляется с помощью переменного аттенюатора, собранного на базе связанных прямоугольных волно водов сечением 45x90 мм с двумя балластными калориметрическими нагрузками в боковом волноводе (рис. 2.11 б).
На входе в рабочую камеру в установке имеется два калиброванных направленных ответвителя с детекторными головками в боковых коаксиальных волноводах, предназначенные для измерения падающей и отраженной мощности (рис.2.11 в).
Оценка падающей Рпад и отражённой Ротр мощности оценивалась с помощью кристаллического детектора по величине выпрямленного тока. В случае малой мощности характеристики кристаллических детекторов можно с достаточной степенью точности полагать квадратичными. Это значит, что выпрямленный ток детектора 1дет, измеряемый микроамперметром, пропорционален поступающей на детектор СВЧ мощности: где к — константа, характеризующая чувствительность кристаллического детектора в выпрямительном режиме. Предел квадратичности характеристики детектора соответствует примерно уровню мощности 10-40 мкВт. При более высоких мощностях соотношение (2.1) становится несправедливым, и ток детектора перестаёт быть прямо пропорциональным СВЧ мощности [ПО]. Свойства детекторов подвержены, к сожалению, значительным изменениям, как во времени, так и в зависимости от электрических и механических воздействий. Поэтому использовать детектор для измерения абсолютной величины мощности не удаётся. Это не препятствует, однако, применению кристаллических детекторов для измерения и индикации мощности в относительных единицах, и к согласованию детекторных головок не предъявляются очень жёсткие требования. Для соединения детекторной головки с микроамперметром или другим индикаторным прибором, например усилителем или осциллографом, обычно предусматривается экранированный коаксиальный вход, в котором имеется блокировочный конденсатор или дроссель.
В установке измеритель мощности калиброван помощью калориметрической нагрузки абсолютным калориметрическим методом.
Рабочая камера представляет собой отрезок прямоугольного волновода сечением 45x90 мм с двумя волноводными поворотами на 90 на его концах. К одному повороту подключается выходной фланец направленного ответвителя для измерения проходящей мощности, а к другому - коаксиальная калориметрическая нагрузка, позволяющая измерять прошедшую через рабочую камеру мощность калориметрическим методом. Для проведения этих измерений установка снабжена водным расходомером, термопарами, измеряющими температуру на входе и на выходе балластной калориметрической нагрузки с соответствующей системой индикации в диапазоне от 0 до 100С. (рис. 2.12).
Особенности формирования структуры эпоксидных компаундов в процессе СВЧ отверждения
Для исследования влияния СВЧ ЭМП на структуру отвержденного ЭК необходимо рассмотреть особенности формирования сетчатой структуры ЭК в процессе отверждения, так как понятие «структура» для пространственно-сшитых полимерных материалов приобретает конкретный смысл только с указанием уровня организации её элементов.
В процессе отверждения смолы переходят в неплавкое и нерастворимое состояние за счёт создания в них пространственной структуры [61, 120]. Вследствие высокой реакционной способности эпоксидные группы могут взаимодействовать с различными полифункциональными соединениями, причём особенно эффективно с соединениями, имеющими подвижный атом водорода: аминами (алифатическими и ароматическими), низкомолекулярными полиаминами за счёт образования водородных связей [2, 121].
Формирование сетчатых полимеров методом полимеризации характеризуется тем, что реакционная система с самого начала двухкомпонентная [122, 123]. Полимер, образующийся на ранних стадиях полимеризации, находится в разбавленном растворе своего олигомера (рис. 3.6 а). При этом быстро развивается реакция высокомолекулярного сшивания, приводящая к развитию в объёме гель-эффекта и формированию фронта полимеризации (рис. 3.6 б) [123,124].
Для эпоксидных полимеров характерны три последовательно связанных между собой уровня структурной организации: молекулярный, топологический и надмолекулярный, каждый из которых влияет на эксплуатационные свойства ЭК [125].
Молекулярная структура ЭК определяется химическим составом, надмолекулярная зависит от расположения цепей и звеньев в пространстве и связана с межмолекулярным взаимодействием, а топологическая структура характеризует распределение узлов химической сшивки, их густоту (рис. 3.6 б) [61, 126].
Отметим, что нет единого мнения о надмолекулярной структуре отвер-ждённых ЭК. Одни авторы говорят о наличии кластеров с высокой степенью упорядоченности [127], другие - о развитой глобулярной структуре, в которой присутствуют области с наиболее плотной упаковкой (глобулы) и области с неравновесной упаковкой и напряжёнными цепями, представляющими собой межглобулярное пространство [128, 129]. Однако во всех случаях имеется в виду неравномерность распределения узлов сетки в объёме эпоксидного материала.
Многочисленные экспериментальные исследования показали, что фундаментальным структурным элементом ЭК являются глобулы. Эпоксидные компаунды рассматриваются как густосетчатые агломераты (микрогели, микрозёрна, «попкорны»), распределение в редкосшитой матрице. Последняя содержит большое количество низкомолекулярных фракций и является более дефектной и менее прочной фазой полимерного материала, содержанием и свойствами которой определяются его основные эксплуатационные характеристики [61, 128].
При этом связь структурообразование - свойства проявляется в следующем [130]: возникновение первых сшитых частиц (глобул) не оказывает какого-либо заметного влияния на свойства жидкой системы (последняя остаётся текучей и плавкой).
С углублением процесса полимеризации происходит всё большее накопление в исходной системе сшитых глобул, но они практически не связаны друг с другом, смола с трудом плавится .и растворяется. Полная потеря системой текучести, плавкости и растворимости соответствует точке физического гелеоб-разования, когда глобулы соединяются между собой относительно редкой сеткой химических и водородных Ван-дер-Ваальсовых связей, недостроенными участками цепи [126, 131]. С точки зрения Ю.С. Липатова [131] при отверждении происходит не только нарастание концентрации, но и увеличение размера сетчатых частиц.
Для густосетчатых полимеров характерна тесная связь между различными структурными уровнями [124]. Топологическая и надмолекулярная структуры в значительной мере определяются молекулярной структурой ЭК. Однако вклад в структуру сетчатого полимера и его эксплуатационные свойства вносят также химическая природа, строение молекул отвердителя и условия отверждения ЭК [123, 132]. Изменение условий отверждения ЭК приводит к образованию полимерных систем, различающихся степенью сшивки и плотностью структурной сетки [34, 35, 36, 133, 134].
В результате исследований установлено, что СВЧ воздействие на процесс отверждения ЭК не только интенсифицирует процесс его отверждения, но и приводит к модификации его физико-механических свойств (раздел. 2.6.6). В настоящее время сведения о механизме модифицирующего влияния СВЧ ЭМП на полимерные материалы носят отрывочный характер.
Из всех видов внутреннего теплового движения макромолекул полимеров наиболее важными, объясняющими ряд их специфических свойств, являются сегментальная и групповая подвижности.
Эпоксидные компаунды являются полярными полимерами, поэтому у них в большей степени проявляется дипольно-групповая поляризация, обусловленная ориентацией полярных групп (-СОН; -NH2) и боковых ответвлений молекулярных цепей под действием приложенного напряжения. [135]. Боковые ответвления участвуют в поляризации, так как имеющиеся концевые метальные группы (-СН3) обладают дипольным моментом. Дипольно-групповая поляризация характеризуется меньшим временем релаксации, поэтому проявляется на СВЧ частотах и зависит от вязкости среды и температуры [135, 136].
Установлено, что при воздействии СВЧ ЭМК на ЭК температура его повышается в среднем на 2-30 С в зависимости от режимов отверждения., при этом происходит значительное снижение вязкости компаунда (разжижение).
Воздействие СВЧ электромагнитного поля на ЭК вызывает ослабление межмолекулярных сил, поэтому дипольно-групповая поляризация возрастает, возрастают и дипольно-групповые потери, так как энергия ЭМП, потребляемая на ориентацию диполей, расходуется на трение и переходит в тепло.
Можно предположить, что СВЧ ЭМП увеличивает тепловые колебания полярных групп, появляется большая возможность преодоления потенциального барьера, возрастает скорость поворота звеньев и интенсивность крутильных колебаний, что приводит к увеличению кинетической гибкости цепи полимера. Это дает возможность вступать в реакцию отверждения дополнительному количеству пространственно затрудненных эпоксидных групп, в результате чего густосетчатые агломераты увеличиваются в размерах за счет окружающей низкомолекулярной фракции.
Рабочие камеры СВЧ установок для модификации эпоксидного компаунда
Сейчас очевидны два технологических процесса СВЧ модификации ЭК: для заливки ЭК после СВЧ модификации в узкие отверстия, формы и нанесение на большие поверхности. при изготовлении заготовок, из которых после СВЧ модификации при помощи механической обработки изготавливаются детали, узлы, предназначенные для эксплуатации в машинах и аппаратах различного назначения.
Для модификации объемных объектов ЭК больших площадей используются камеры лучевого типа (КЛТ) [143].
Поскольку в электротермии нет определения больших поверхностей, то, согласно [143], если напряженность в любой точке поверхности диэлектрика в два раза меньше максимальной, то такую поверхность будем считать большой. Целесообразно связать определение большой поверхности с параметром, характеризующим апертуру антенны. Таким параметром является длина электромагнитной волны генератора.
Широкое распространение имеют антенны с рупором прямоугольного поперечного сечения или круглым сечением рупора. Рупорные антенны позволяют излучать на поверхность диэлектрика максимальную мощность при заданном сечении волновода, которая определяется пробивным напряжением волновода [143].
Принцип построения КЛТ для модификации ЭК при изготовлении изделий с большими поверхностями, а также заливки ЭК после СВЧ модификации в узкие отверстия, полости или формы представлен на рис. 4.6, 4.7.
Рабочая камера состоит из туннеля, излучающего рупора (излучающих рупоров), приёмного рупора (рупоров), системы загрузки-выгрузки и транспортной системы, позволяющей добиться наиболее производительного методического режима работы. ЭК заливается в специальные формы из радиопрозрачного материала, которые перемещаются на транспортной ленте между излучающими и приёмными рупорами. Камера может содержать несколько рупорных систем, которые могут подключаться к соответствующему количеству источников СВЧ энергии (рис. 4.6. б) и размещаться в несколько рядов по ширине рабочей камеры, в зависимости от размеров ширины планируемого объекта обработки [140-142]. где Езад - заданная напряжённость электрического поля СВЧ электромагнитной волны, при которой происходит модификация ЭК; ±АЕ - допустимые отклонения от напряжённости Езад, в пределах которой происходит модификация объекта с допустимым качеством; а - коэффициент затухания электромагнитной волны, проходящей от излучающего рупора в приёмный рупор через ЭК, причем а находится из [65]. где c/max - максимальная толщина модифицируемого слоя ЭК; а, Ъ - размеры апертуры излучателя; Р - СВЧ мощность; Я — длина волны; Z0 = 120л; - характеристическое сопротивление в вакууме. Если в (4.4) натуральный логарифм дроби равен , то
Следовательно, конкретная заготовка из ЭК в КЛТ должна быть изготовлена такой, чтобы ddon dmax.
В этих расчётах Езад и АЕ должны соответствовать тем значениям, которые были предварительно определены для процесса модификации ЭК экспериментально. Приведённые соотношения получены в предположении, что в воздушном слое и модифицируемом объекте между рупорами распространяется плоская волна.
Строго говоря, в КЛТ объект обработки помещается в ближней зоне рупора, расчёт электромагнитного поля в которой представляет весьма сложную электродинамическую задачу теории антенн. В СВЧ ЭТУ вслед за [65] расчеты КЛТ с рупорными излучателями обычно приводятся в предположении о распространении в воздушном пространстве плоской волны [ПО, 143]. В СВЧ установках диэлектрического нагрева Є » 1 у обрабатываемого диэлектрика. В СВЧ УКВ Б невелико, а потому тем более можно допустить существование плоской электромагнитной волны между рупорами. В этом случае где Е(0) - напряжённость электрического поля электромагнитной волны на поверхности модифицирующего объекта со стороны излучающего рупора.
Что касается длины активной зоны КЛТ вдоль направления движения формы с модифицируемым ЭК, то она может быть рассчитана по соотношению где G, - линейная производительность СВЧ УКВ, м/с; тобр - время модифицирующего воздействия, определяемое экспериментально. Если задана объёмная производительность где S- площадь ЭК, то
Если задана весовая производительность Если а, где а - размер апертуры излучателя в направлении движения форм с ЭК, тогда по направлению движения модифицируемого объекта в рабочей камере необходимо предусмотреть дополнительные излучающие и приёмные рупоры (рис.4.6 б).
