Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 12
1.1 Лесные пожары и способы теплозащиты лесопожарной техники 12
1.2 Применение и изготовление абляционных материалов 20
1.2.1 Механизм абляции в тепловой защите 20
1.2.2 Перспективные направления применения абляционных материалов 23
1.2.3 Изготовление материалов абляционной теплозащиты 26
1.3. Современные технологии изготовления препрегов 35
1.3.1 Пропитка погружением в ванну 35
1.3.2 Пропитка окунанием 37
1.3.3 Пропитка контактным роликом 39
1.3.4 Пропитка напылением связующего 41
1.3.5 Пропитка под давлением 42
1.3.6 Вакуумные методы пропитки 44
1.3.7 Центробежная пропитка 48
1.3.8 Изготовление препрегов методом твердофазного совмещения компонентов 49
1.3.9 Способы управления процессом пропитки наполнителя 50
1.4 Перспективные технологии для изготовления многослойных препрегов с высоким содержанием полимера 51
1.5 Выводы по первой главе 53
1.6 Задачи исследования 55
2. Математическое описание технологического процесса изготовления многослойных препрегов 57
2.1 Структура вязально-прошивных полотен 57
2.2 Математическое моделирование процессов вакуумной пропитки и сушки 59
2.3 Численные эксперименты по математической модели процессов циклической вакуумной пропитки и сушки и анализ их результатов 70
2.4 Выводы по второй главе 78
3. Методика экспериментальных исследований процессов циклической вакуумной пропитки и сушки многослойных полотен 80
3.1 Лабораторная установка 80
3.2 Универсальный лабораторный стенд 82
3.3 Промышленная экспериментальная установка 85
3.4 Модернизированная промышленная экспериментальная установка 86
3.5 Методика проведения экспериментальных исследований
3.5.1 Контроль параметров компонентов 88
3.5.2 Методика проведения эксперимента 90
3.5.3 Методы контроля характеристик препрега 91
3.6 Выводы по третьей главе 93
4. Результаты экспериментальных исследований вакуумной технологии изготовления многослойных препрегов и их анализ 94
4.1. Разовая пропитка многослойных заготовок 94
4.2 Многократная пропитка многослойных заготовок 98
4.3 Пропитка в универсальном лабораторном стенде 102
4.4 Исследование кинетики вакуумной сушки 110
4.5. Изготовление препрега в модернизированной промышленной установке 112
4.6 Сопоставление расчтного содержания компонентов в препрегах с результатами экспериментальных исследований 115
4.7 Характеристики теплозащитных покрытий из препрегов, изготовленных по инновационной технологии 118
4.8 Выводы по четвртой главе 120
5 Производственные рекомендации и экономическая эффективность разработанной технологии 123
5.1 Схема промышленной установки для изготовления многослойных препрегов с автоматическим контролем технологических параметров 123
5.2 Алгоритм управления технологическим процессом 126
5.3 Экономическая эффективность технологии 130
5.4 Выводы по пятой главе 132
Заключение (Основные выводы и результаты) 133
Список сокращений и условных обозначений 137
Список литературы
- Механизм абляции в тепловой защите
- Численные эксперименты по математической модели процессов циклической вакуумной пропитки и сушки и анализ их результатов
- Модернизированная промышленная экспериментальная установка
- Многократная пропитка многослойных заготовок
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Лесные пожары ежегодно наносят огромный ущерб лесному хозяйству страны. Для уменьшения ущерба, наносимого лесными пожарами и пожарами на складах лесных материалов, необходимо применение современной эффективной пожарной техники.
В последние годы в автомобильной технике вс большее применение находят композиционные материалы. Перспективными для применения в лесопожарной технике являются абляционные теплозащитные материалы, которые способны обеспечить тепловую защиту экипажей лесопожарных машин (ЛПМ) в течение длительного времени и позволят проводить тушение лесных пожаров и пожаров на лесных складах с предельно близкого расстояния.
Абляционные материалы изготавливают из препрегов с высоким содержанием полимера, получаемых пропиткой многослойных вязально-прошивных заготовок из различных тканей в ваннах, наполненных раствором полимера. Процесс пропитки в ваннах является длительным, практически не поддатся автоматизации и применяется в единичном производстве. В связи с этим, абляционные материалы находят ограниченное применение. В основном, они применяются в качестве теплозащитного покрытия спускаемых космических аппаратов, которое блокирует и уменьшает тепловой поток от окружающей среды к поверхности аппарата.
Разработка новых технологий получения препрегов, способных существенно снизить затраты на их производство, является актуальной задачей. Более дешвые препреги могут использоваться для изготовления тепловой защиты экипажей ЛПМ, что значительно повысит их эффективность.
Степень разработанности проблемы. Способам и материалам для тепловой защиты ЛПМ посвящн ряд работ. Данной проблемой занимались Кисляк Ю.М., Морозюк Ю.В., Безбородько М.Д. и др. Разработанные методы тепловой защиты ЛПМ подразделяются на пассивные и активные.
Пассивные методы заключаются в применении теплоизоляционных и теплоотражающих материалов, однако они имеют низкую эффективность при длительном воздействии высоких температур или теплового излучения на корпус машины.
Активные методы заключаются в охлаждении корпуса машины водой путм е стекания по кузову или разбрызгивания вокруг ЛПМ при тушении пожара. Недостатком данных методов является сложность тепловой защиты участков кузова со сложной конфигурацией и дополнительный расход воды, необходимой для тушения пожара.
Применение тепловой защиты из абляционных материалов в ЛПМ является новым направлением в повышении их эффективности.
Препреги, применяемые на сегодняшний день для изготовления композиционных теплозащитных покрытий, являются крайне дорогостоящими и не применяются в серийном производстве. Разработаны различные технологии изготовления препрегов: пропитка заготовок контактным роликом, распылением связующего, метод VARTM и другие. Из всех существующих технологий только пропитка в ванных с раствором полимера позволяет получать многослойные препреги с высоким содержанием полимера.
Цель работы: разработка технологии изготовления препрега на основе кремнезмной ткани и фенолоформальдегидной смолы с целью сокращения времени его производства и уменьшения стоимости для применения в теплозащите лесопожарных машин.
Основные задачи исследования:
анализ выполненных ранее исследований, касающихся вопросов обеспечения теплозащиты лесопожарных машин, применения и изготовления абляционных материалов, а также существующих технологий изготовления препрегов;
выбор наиболее рациональной технологии изготовления препрега в качестве основы для детального исследования процесса;
разработка математической модели процесса изготовления препрега с высоким содержанием полимера и численное моделирование для определения возможности обеспечения заданных свойств препрегов;
разработка технологических режимов процесса изготовления препрега и проведение опытных пропиток материала наполнителя;
выработка производственных рекомендаций для создания промышленной установки изготовления препрега с автоматическим контролем технологического процесса.
Объект исследования: препреги с высоким содержанием полимера, предназначенные для изготовления теплозащитных покрытий.
Предмет исследования: высокоэффективная и экономичная технология получения препрегов с высоким содержанием полимера для изготовления абляционных теплозащитных материалов.
Методология и методы исследования:
- исследования проведены с использованием теоретико-эмпирических методов, методов наблюдения и сравнения. Научные эксперименты проводились на специально разработанных лабораторных стендах, один из которых был представлен на выставке НТТМ-2013 и отмечен дипломом. Практическая проверка режимов изготовления препрегов осуществлялась на экспериментальной промышленной установке. Результаты обрабатывались с помощью методов систематизации с применением современного программного обеспечения.
Научная новизна:
разработана математическая модель процесса многократной пропитки пористых тканых материалов растворами термореактивных полимеров с промежуточным удалением растворителя, позволяющая определять содержание компонентов раствора в материале на каждом этапе пропитки;
разработаны технологические режимы получения многослойных препрегов с высоким содержанием полимера;
запатентован новый способ изготовления многослойных препрегов с высоким содержанием полимера с автоматическим контролем технологического процесса.
Теоретическая и практическая значимость работы:
математическая модель многократной вакуумной пропитки и сушки многослойных заготовок из вязально-прошивных полотен, которая позволяет осуществить количественную оценку массового содержания компонентов в препреге на всех этапах технологического процесса его изготовления;
эффективная вакуумная технология получения многослойных препрегов, позволяющая значительно сократить продолжительность технологического процесса (с 700 до ~70 часов) и практически исключить отходы связующего, что значительно снижает стоимость производства таких материалов;
математическая модель и способ управления технологическим процессом, обеспечивающие практически безотходную технологию производства многослойных препрегов с заданным содержанием полимера;
комплект документов директивной технологии вакуумной пропитки бакелитовым лаком большеразмерных многослойных заготовок из кремнезмных и кремнезмно-капроновых полотен;
техническое задание на проектирование автоматизированной промышленной установки для изготовления большеразмерных препрегов с заданными свойствами.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
математическая модель процесса циклической вакуумной пропитки и сушки заготовок из многослойных полотен;
вакуумная технология изготовления препрегов с высоким содержанием полимера на основе многослойных полотен из кремнезмных и кремнезмно-капроновых тканей и бакелитового лака;
технологические режимы процесса изготовления многослойных препрегов;
математическая модель и способ управления технологическим процессом изготовления многослойных препрегов с автоматическим контролем технологического процесса.
Степень достоверности: полученные экспериментальные данные подтверждаются использованием приборов, прошедших метрологическую поверку, применением различных методов тестирования и контроля измерительной системы экспериментальных установок. Воспроизводимость и повторяемость экспериментов оценена путм статистической обработки. Достоверность теоретических решений проверена сравнением с экспериментальными результатами.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на следующих конференциях и семинарах:
научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ по итогам научно-исследовательской деятельности за 2012 год, г. Мытищи, 22 января 2013 г.;
международной научно-практической конференции «Наука и образование XXI века», г. Уфа, 31 мая 2013 г.;
международной научно-практической конференции «Инновационные преобразования, приоритетные направления и тенденции развития в экономике, технике, образовании и др. науках», г. Санкт-Петербург, 29-30 апреля 2014 г.;
международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития науки и образования», г. Москва, 5 мая 2014 г.;
международной конференции «Композиционные материалы на древесных и других наполнителях», г. Мытищи, МГУЛ, 20-22 октября 2014 г.;
XX научно-технической конференции молодых учных и специалистов, г. Королв, РКК «Энергия» им. СП. Королва, 10-14 ноября 2014 г.;
научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ по итогам научно-исследовательской деятельности за 2014 год, г. Мытищи, 27 января 2015 г.;
семинаре «Кристаллические структуры и фазовые превращения при атмосферном и высоких давлениях», ИФТТ РАН, протокол №47 от 25 марта 2015 г.;
XI Международной научно-технической конференции «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин», г. Москва, ФГБНУ ГОСНИТИ, 15-16 декабря 2015 г.;
научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ по итогам научно-исследовательской деятельности за 2015 год, г. Мытищи, 26-28 января 2016 г.;
XL Академических чтениях по космонавтике, посвящнных памяти академика СП. Королва и других выдающихся отечественных учных -пионеров освоения космического пространства, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 26-29 января 2016 г.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 6 « Выбор техноло-
гий, оптимизация параметров процессов с учетом воздействия на смежные производственные процессы и окружающую среду» из паспорта специальности 05.21.01. – «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства».
Личное участие автора. Заключается в разработке математической модели процесса многократной пропитки пористого тканого наполнителя, создании экспериментальных стендов, проведении экспериментальных исследований и разработке технологических режимов процесса изготовления препрегов, создании нового способа изготовления препрега с высоким содержанием полимера с автоматическим контролем технологического процесса и разработке задания на проектирование автоматизированной промышленной установки для изготовления препрегов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 4 – в журналах, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК», получен один патент на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (138 наименований отечественной и зарубежной литературы) и 9 приложений. Работа изложена на 167 страницах, включает 18 таблиц и 65 рисунков.
Механизм абляции в тепловой защите
В статьях [114, 115] приводится подробное рассмотрение негативных факторов, влияющих на лесного пожарного, выполняющего тушение.
Наиболее негативным фактором, оказывающим влияние на организм пожарного, является высокая температура и тепловое излучение в рабочей области [56, 69, 72, 73]. ЛП и пожары на складах заготовленной древесины характеризуются высокой скоростью распространения и высокой плотностью теплового излучения [45, 48]. При горении лесного горючего материала выделяется огромное количество теплоты до 12,271010 Дж/га [105], а тепловые потоки, в зависимости от типа пожара, составляют от 1,2 до 12 кВт/м2 [115]. Нахождение пожарного в зоне подобного теплового потока в течение 10-15 секунд вызывает ожоги кожи второй степени, а пребывание пожарного в опасных зонах крупных лесных пожаров, где тепловое излучение может достигать значений 100-200 кВт/м2 [71] приводит к смертельному исходу уже через несколько секунд.
Вторым главным негативным фактором, влияющим на лесного пожарного, являются продукты сгорания лесного горючего материала. При сгорании лесного горючего материала выделяется большое количество угарного и углекислого газа, а также мелкодисперсные органические и минеральные продукты сгорания. Нахождение пожарного в зоне горения возможно только при наличии у него специализированной замкнутой системы очистки вдыхаемого воздуха.
В связи с развитием лесной отрасли, с 1960-х годов ведтся разработка новых машин для тушения лесных пожаров и пожаров на лесоскладах, а также проводится усовершенствование всех систем этих пожарных автомобилей, в том числе и способов теплозащиты автомобиля и экипажа.
Установлено, что тепловое излучение является превалирующим негативным фактором при работе машины на тушении лесных пожаров. Исходя из этого основным требованием к конструкции лесопожарных машин (ЛПМ), сформулированным в работе М.Д. Безбородько и др. [13], является наличие у автомобиля рациональной теплозащиты.
В соответствии с классификацией Ю.В. Полежаева [95] методы теплозащиты ЛПМ можно разделить на пассивные и активные.
Пассивная теплозащита на ЛПМ изучена и апробирована Ю.М. Кисляком [49, 50]. В работе предложено предусматривать теплозащиту салонов ЛПМ на стадии проектирования. Автором предложены и исследованы 2 метода теплозащиты ЛПМ. Первый метод заключается в использовании теплоотражательных свойств некоторых веществ, с помощью которых происходит уменьшение уровня нагрева поверхности машины. Наружную поверхность покрывали слоем алюминиевого порошка с различными плнкообразующими веществами.
Степень черноты для поверхности, окрашенной алюминиевой краской, принималась равной 0,35, что на 40% ниже чем материал машины. Однако длительное использование такого покрытия снижает температуру наружной поверхности всего на 3%.
При использовании порошка с плнкообразующим на основе силикатных материалов температура наружной поверхности снижается в среднем на 10…15%, а внутренней на 20…35%. Время достижения предельных температур внутренней стеной кабины увеличивается в 2…3 раза, для стекла в 10 и более раз.
Для защиты стекла использовалась также полиэтилентерефталатная (ПЭТФ) металлизированная плнка. Такая плнка поглощает 100% теплового потока, однако стекло разрушалось под действием высокой концентрации теплового излучения в зоне перед плнкой при наклейке е с внутренней стороны стекла. Использование е с наружной стороны стекла дат положительные результаты, однако сама плнка разрушается при 180С.
Второй способ заключался в экранировании воздушной прослойки между обшивкой кузова и материалом внутренней отделки салона автомобиля асбестовым полотном толщиной 2 мм с нанеснной на одну сторону ПЭТФ плнкой. Время прогрева внутренней стены кабины до предельной температуры увеличилось в несколько десятков раз.
В качестве активных способов теплозащиты используются методы, основанные на испарении воды стекающей по поверхности автомобиля или распыленной вокруг него в виде аэрозоли. Эффективность активной теплозащиты, с помощью стекающих по обшивке машины водяных плнок, обоснована в работе А.С. Чирко [116], а способ распыления воды вокруг пожарной машины описан в работе М.В. Морозюка [70, 71]. Авторам удалось улучшить защитуЛПМ от лучистых те 17 пловых потоков, однако эти способы теплозащиты наряду с явными достоинствами имеют недостатки, основным из которых является невозможность защитить от воздействия теплового обучения элементы конструкции машины, имеющие сложную геометрическую конфигурацию, а в случае распыления вокруг автомобиля воды – образования парового облака, затрудняющего дыхание.
Многие современные отечественные и зарубежные фирмы, производители пожарной техники, начали разработку специализированных ЛПМ, позволяющих пожарному вести работу по тушению лесного пожара, находясь внутри защищн-ного кузова.
Численные эксперименты по математической модели процессов циклической вакуумной пропитки и сушки и анализ их результатов
Пропитка наполнителя, рулон (1) которого помещен в герметичную камеру (2), закрытую крышкой (3), происходит при прохождении его через фильеру (6), частично погружнную в связующее. Вакуум, созданный в герметичной камере при помощи вакуумного насоса или вакуумной системы (5) контролируется вакуумметром (4). Под действием разности давлений между камерой и окружающей средой связующее поднимается вверх по фильере и пропитывает наполнитель, в порах которого отсутствует воздух. После пропитки наполнитель проходит через отжимные валки (7), которые удаляют излишки связующего, и сматывается на бобину (8) или податся в сушильную камеру для удаления летучих продуктов и растворителя. Такой способ позволяет пропитать материалы в виде тканей, лент, жгутов и нитей толщиной до 1,5 мм, которые поставляются в виде рулонов.
Преимущество такого способа вакуумной пропитки состоит в том, что при поступлении полотна в зону пропитки, в порах которого отсутствует воздух, позволяет полностью заполнять пористое пространство связующим, что обеспечивает получение препрегов с высоким содержанием полимера.
Из существующих методов пропитки наполнителя под вакуумом широкое распространение получил метод инфузии раствора полимера в наполнитель под плнкой VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) [118, 124, 134], схема которого показана на рисунке 1.20. 1 – мкость со связующим; 2 –трубки подачи связующего в форму; 3 – герметичный жгут для закрепления вакуумной плнки; 4 – вакуумная плнка; 5 – плоская форма для изготовления препрега; 6 – распределительная сетка; 7 – пакеты наполнителя; 8 – заполнитель; 9 – трубки подачи смолы в систему распределения; 10 – вакуумный насос; 11 – сборник связующего вакуумной системы; 12 – вакуумные трубки Рисунок 1.20 – Схема пропитки пористого наполнителя с заполнителем по методу VARTM Этот метод чаще всего применяется для изготовления КМ непосредственно на матрице, имитирующей форму изделия, с отверждением при помощи нагрева, однако он может быть применн и для изготовления препрегов.
Являясь наиболее простым и экономичным, он сочетает в себе все основные этапы вакуумной технологии пропитки пористых наполнителей и позволяет про 46 питывать пористые однослойные, многослойные и уложенные в пакет материалы любой толщины без использования сложного специализированного оборудования.
Пропитка наполнителя (7) происходит в результате движения связующего по трубкам подачи (9), а затем через пакеты наполнителя, и далее в направлении вакуумных трубок (12) под действием разности давлений между поверхностью мкости со связующим (1) и сборником связующего вакуумной системы (11). Скорость движения жидкости через пропитываемый материал определяется законом фильтрации Дарси.
Этот метод не требует изготовления сложной пропиточной формы с ответной частью, которая ограничивает пространство, заполняемое связующим.
В методе VARTM для пропитка осуществляется при неглубоком вакууме, который не превышает 0,095 МПа [37]. Поверхность наполнителя в процессе пропитки покрывается вакуумной плнкой. В качестве формообразующей поверхности при изготовлении препрегов используются плоские формы (5) и различные способы укладки наполнителя и системы распределения связующего (6).
Данный метод применяется для пропитки однослойных, многослойных материалов или материалов, имеющих заполнитель (например, сотовые панели) полиэфирными, эпоксидными, винилэфирными и другими связующими, обладающими вязкостью до 600 мПас.
Недостатком данного метода является низкое содержание полимера в пре-преге при использовании для пропитки раствора полимера, а также невозможность осуществить сушку материала без разбора формы и повторную пропитку для повышения содержания полимера в препреге.
К методам вакуумной пропитки наполнителя фильтрацией связующего через наполнитель можно также отнести способ пропитки с использованием эластичной диафрагмы [84, 90], схема которого показана на рисунке 1.21.
Пропитываемый наполнитель (4) помещается в нижнюю часть герметичной камеры (3), которая делиться на две части эластичной диафрагмой (5). Нижняя полость камеры соединена с линией подачи связующего из мкости (1) и герме 47 тичной мкостью (7). Эта мкость предназначена для сбора излишек связующего и соединена с вакуумным насосом (8). Верхняя полость герметичной камеры со единена с компрессором (6).
Модернизированная промышленная экспериментальная установка
Кассета предотвращает всплывание полотна во время пропитки, а также, за счт применения специальной заневоливающей рештки, исключает появление краевого эффекта, заключающегося в повышенном содержании смолы на краях заготовки при пропитке.
Наблюдение за процессом сушки препрега производится при помощи специальной мкости (11) оборудованной прозрачной крышкой. В мкости (11) располагается образец-свидетель из полотна той же марки, что и пропитываемая заготовка. В процессе сушки для определения доли удалнного растворителя, из образца-свидетеля отбираются пробы и исследуются на содержание летучих продуктов.
Модернизированная установка позволяет проводить многократную пропитку заготовок из вязально-прошивных полотен методом фильтрации лака через полотно снизу-вверх под действием разности давлений между атмосферой и вакуумом внутри формы, а также производить вакуумную сушку пропитанной заготовки.
Расчты по математической модели показали, что содержание ФФС в лаке оказывает существенное влияние на динамику процесса пропитки и характеристики препрега. В связи с этим определение содержания ФФС в бакелитовом лаке ЛБС-4 производилось перед каждой пропиткой по методике пункта 3 ГОСТ 901-78 [34].
Определение массовой доли смолы в лаке производится методом сушки навески массой 1,2...2 г при температуре 100 ±30С в течение 2 ч 20 мин с последующим охлаждением навески до комнатной температуры в эксикаторе с силикаге-лем в течение 30 мин. Содержание смолы gффс, %, вычисляется по формуле m± m ##,= —-100%, (3.1) где тсцх - масса навески после сушки, г; т - масса навески до сушки, г. Существенным параметром, от которого зависит качество пропитки и скорость протекания процесса, является динамическая вязкость лака. Динамическая вязкость лака определяется при помощи капиллярного вискозиметра ВПЖ-1 или ВПЖ-2 [31] измерением времени истечения жидкости определнного объма через капилляр известного диаметра.
При пропитке лаком вязально-прошивных полотен ПВП-КТК для определения пористости материла и последующего определения содержания смолы в образцах требуется знать массовую долю содержащегося в ткани капрона.
Содержание капрона в ткани определяется пут м отбора образцов ткани массой 10...15 г, взвешивании их после сушки при 100±3С в течение 1 ч. и последующим выжиганием капрона при температуре 600...700С. Содержание капрона в ткани gKan, %, определяется по следующей формуле
Пред пропиткой полотен ПВП-КТ-11 контролируется отсутствие замасли-вателя на поверхностях полотна и волокон, так как замасливатель ухудшает смачиваемость волокон лаком. Для удаления замасливателя полотно подвергается прокаливанию при температуре 700С. 3.5.2 Методика проведения эксперимента Перед началом пропитки компоненты препрега подвергаются следующим испытаниям: - бакелитовый лак на содержание ФФС и динамическую вязкость; - ткань КТК на содержание капрона; - ткань КТ на отсутствие замасливателя. Затем производится определение массы пропитываемой заготовки взвешиванием или расчтом: - для заготовки из ткани КТ формуле Мп = ркт V ; (3.4) - для заготовки из ткани КТК по формуле Мп = рктк V , (3.5) где МП - масса пропитываемого полотна, г; V- объм заготовки, см3; Задатся требуемое содержание смолы в препреге после его изготовления ЧффсЗ, доля от 1. Требуемое содержание смолы в препреге задатся из соображения обеспечения заданных параметров препрега или из расчта максимально возможного е содержания в препреге по уравнению (2.7). Масса смолы, необходимая для обеспечения е заданного содержания в препреге Мсм , г, рассчитывается по формуле МСМ= П дффсЗ (3.6) После определения массы смолы рассчитывается количество бакелитового лака, содержащее требуемое количество смолы МЛ, г, по формуле мЛ=М (37) ёффс Масса летучих продуктов (спирт + вода), содержащаяся в лаке МЛЕТ, г, определяется по формуле Млет = Мл-1-ффс . (3.8) 3.5.3 Методы контроля характеристик препрега Контроль физико-химических характеристик препрега проводился согласно ОСТ 92-0903-78 [77] и ОСТ 92-0944-81 [78], описывающим методы определения физико-химических характеристик неметаллических теплозащитных материалов и технические требования к данным материалам, соответственно. После забора проб из готового препрега, производится их исследование на содержание смолы и летучих продуктов, а также исследование распределения смолы по поверхности и толщине полотна при помощи термоаналитического метода [99, 77]. Поэтому забор проб осуществляется в нескольких местах равномерно по всей площади пропитываемой заготовки. В качестве примера, на рисунке 3.8 представлена схема забора проб в препреге, изготовленном в универсальном лабораторном стенде.
В промышленных образцах и образцах, предназначенных для последующего отверждения и изготовления деталей из КМ, пробы забираются в в тех местах заготовки, которые идут в отход. Содержание летучих продуктов в пробах из полотен ПВП-КТ-11 производится методом их сушки при температуре 100 ±3 0С в течение 3,5…4 часов, а проб из полотен ПВП-КТК сушкой при температуре 135±5С в течение 3...4 ч. Содержание летучих продуктов в навесках qлет, %, определяется по формуле: m-m Ялет= сух-100%; (3.9) Содержание фенолоформальдегидной смолы в пробах определяется на сухой навеске после удаления летучих продуктов. Содержание смолы определяется выжиганием высушенной пробы в муфельной печи при температуре 600...700С.
Многократная пропитка многослойных заготовок
Разработанная в главе 2 математическая модель процесса изготовления многослойных препрегов циклической пропиткой заготовок позволяет количественно оценить содержание ФФС и летучих продуктов на каждом цикле вакуумной пропитки с последующей вакуумной сушкой. Результаты экспериментальных исследований, изложенные в главе 4, показали возможность изготовления многослойных препрегов с высоким содержанием ФФС многократной пропиткой. Математическая модель и положительные результаты экспериментальных исследований позволили разработать и запатентовать способ изготовления препрегов с автоматическим контролем технологического процесса [93, 27].
На рисунке 5.1 изображена принципиальная схема установки и системы управления технологическим процессом изготовления многослойных препрегов с высоким содержанием полимера. В промышленных установках могут изготавливаться препреги любых размеров.
В основу разработки промышленной установки могут быть положены конструкции универсального стенда или модернизированной промышленной установки, дополненные системами контроля и регулирования расходов лака, летучих продуктов, давления и температуры на всех этапах изготовления. С этой целью в конструкцию установки вводятся: датчик усилия (4), датчик температуры (5) и датчик давления (16).
Изготовление препрега осуществляется в герметичной камере (12) с крышкой (13), оборудованной системами вакуумной пропитки и сушки заготовок из вя-зально-прошивных– мкость с лаком, 2 –кран регулирования подачи лака, 3 – сервопривод управления краном регулирования подачи лака, 4 –датчик усилия, 5 –датчик температуры, 6 – нагреватель, 7 –распределительная сетка, 8 –пропиточная кассета, 9 – жертвенный материал, 10 –пропитываемая заготовка, 11 – прижимная рештка, 12 –корпус вакуумной камеры, 13 – крышка вакуумной камеры, 14 –смотровое окно, 15 –отделитель смолы, 16 – датчик давления, 17 –балластная мкость, 18 – электромагнитный кран атмосферного давления, 19 –электромагнитный кран вакуума, 20 – безмасляный вакуумный насос, 21 – конденсатор паров растворителя, 22 –мкость для сбора конденсата Рисунок 5.1 – Принципиальная схема установки для изготовления препрега с системами контроля и управления Датчики усилия позволяют контролировать массу пропиточной кассеты и через систему управления регулировать расходы лака и летучих продуктов, а также продолжительность процессов вакуумной пропитки и вакуумной сушки. Температура в вакуумной камере контролируется датчиком температуры и поддерживается на заданном уровне включением или выключением нагревателя (6). Датчик давления измеряет величину вакуума в процессах пропитки и сушки, а его величина на заданном уровне поддерживается системой автоматического управления с помощью вакуумного насоса и кранов (18) и (19).
В процессе пропитки подача лака в пропиточную кассету осуществляется непосредственно из мкости (1), в которой поставляется бакелитовый лак заводом-изготовителем, что существенно упрощает технологический процесс, так как исключает необходимость проведения дополнительных операций, связанных с дозировкой лака, заливаемого в бак подачи, и очистки его внутренних поверхностей после каждой пропитки.
В установке осуществлена конденсация паров спирта, образующихся в процессе вакуумной сушки, что позволяет предотвратить загрязнение окружающей среды парами спирта, понизить пожарную опасность, а конденсат использовать для других технологических процессах.
Система управления процессом изготовления препрега включает в себя: – персональный компьютер (ПК) с установленной на нем управляющей программой (УП); – блок сбора информации с датчиков температуры, давления и усилия, состоящий из предварительного усилителя сигналов и АЦП; – контур управления нагревателем, состоящий из реле, подсоединенного к выходу ПК; – контур управления давлением, состоящий из двух электромагнитных кранов (вакуумного КР3 и крана атмосферного давления КР2), подключенных к блоку управления кранами; – контур управления подачей лака, состоящий из крана подачи лака КР 1 с сервоприводом, подсоединенным к блоку управления кранами.