Способ непрерывного изготовления стержня из композиционного материала
Владельцы патента RU 2407759:
Общество с ограниченной ответственностью "Бийский завод стеклопластиков" (RU)
Изобретение относится к области изготовления стержней из армирующих волокон, пропитанных связующим. Волокна пропитывают, формируют профиль в фильере, фиксируют геометрию стержня и отверждают. Отверждение осуществляют под воздействием СВЧ-излучения при расположении армирующих волокон параллельно силовым линиям СВЧ-поля. Стержень непрерывно пропускают через камеры, последовательно запитанные от одного источника СВЧ-излучения и соединенные волноводами. Для каждой стадии изменения состояния связующего от жидкого до твердого выбирают количество камер и задают расстояние между постадийно сгруппированными камерами. Обеспечивают дозированное возвращение СВЧ-излучения за счет диафрагмы в СВЧ-пропускающем проеме поглощающей нагрузки, которая сообщена с последней из камер. Изобретение позволяет получать монолитную и равномерную по сечению структуру стержня из разнородных материалов, повысить эффективность процесса, регулировать процесс отверждения, минимизировать потери затраченной на процесс отверждения энергии.
Изобретение относится к области изготовления стержня из композиционного материала, представляющего собой армирующие волокна, пропитанные термореактивным связующим, с отверждением изделия вне зоны контакта с формообразующими поверхностями. Стержень может быть использован в строительстве как гибкая связь в теплоизоляции, распорный элемент стеновых и кровельных дюбелей, для силового армирования бетонных и каменных конструкций; применен в горнодобывающей промышленности как основной элемент анкера шахтной крепи и по т.п. назначению.
Структуру и свойства получаемых изделий из композиционных материалов, содержащих армирующие волокна, пропитанные связующим, регулируют двумя путями: путем качественного и количественного подбора состава системы (подбор наполнителя, смолы, отвердителя, введение добавок); путем изменения параметров процесса отверждения (температура, давление, продолжительность).
Из уровня техники известны решения, основанные на изменении параметров отверждения, - а.с. №1785909, дата публикации 07.01.1993 (на стадии отверждения изделие обрабатывают постоянным магнитным полем при напряженности магнитного поля 900 Э в течение 6 ч при расположении армирующих волокон параллельно или перпендикулярно магнитным силовым линиям), известное решение малопроизводительное и энергоемкое; патент №2102236, дата публикации 1998.01.20 (отверждение при температуре 155-165°C с помощью высокочастотного нагрева, частота 13-14 МГц), указанное техническое решение пригодно только для полых изделий, при изготовлении которых используют дорн-оправку, т.е. имеет ограниченные эксплуатационные возможности.
Известен (патент №2241318, дата публикации 2004.11.27) способ термообработки диэлектрического материала, в частности, для полимеризации в электромагнитном СВЧ-поле, включающий воздействие СВЧ-излучения от одного источника и пропускание СВЧ-волн через объект обработки в прямом и обратном направлении, причем обратное направление обеспечивают путем образования отраженных волн.
Известный способ предназначен для термообработки диэлектрика из мономатериала с высоким влагосодержанием. СВЧ-волны пропускают поперек изделия одновременно от одного источника энергии к разным участкам изделия. Известное техническое решение имеет узкий диапазон использования и не может применяться для отверждения изделий именно из разнородных материалов с разными диэлектрическими характеристиками, таких как стеклопластиковые, базальтопластиковые стержни или стержни из других композиционных материалов, т.к. будет иметь низкую эффективность, обусловленную низким коэффициентом поглощения СВЧ-излучения вышеперечисленными материалами. В известном решении исключена возможность постадийного регулирования процесса отверждения, т.к. делитель распределяет энергию СВЧ-излучения между параллельно размещенными волноводными отрезками, в которых ведут термообработку диэлектрического материала, равномерно. Кроме того, известный способ имеет громоздкое аппаратурное оформление и предполагает после делителя мощности на каждом ответвлении СВЧ-тракта наличие волноводного перехода, вентиля, трансформатора поляризации, которые увеличивают потери энергии.
Из уровня техники известен принятый за прототип способ изготовления стержня по а.с. №1735533 (дата публикации 23.05.1992), включающий пропитку армирующих волокон термореактивным связующим, формование профиля в фильере, фиксацию геометрии стержня в оплеточном устройстве и последующее отверждение.
Известный способ предполагает предварительный обжиг базальтового ровинга, многократное пропускание его через фильеры, ступенчатый подъем температуры и охлаждение стержня в 8 термокамерах, каждая из которых оснащена индивидуальным источником нагрева, что обусловливает громоздкость аппаратурного оформления способа, высокую энергоемкость и низкую производительность из-за низкой скорости нагрева (передача тепла осуществляется за счет поглощения поверхностью изделия лучистой энергии и перенос его к внутренним слоям - за счет теплопроводности, а материал имеет низкий коэффициент поглощения и теплопроводности). Известное техническое решение характеризуется низкими эксплуатационными возможностями, обусловленными необходимостью подбора конкретного состава связующего для осуществления способа, ограничением по используемому армирующему волокну (только базальтовое волокно) и по диаметру стержня. При ламповом нагреве с поверхности получают высокие термические напряжения, что приводит к появлению микротрещин и снижению монолитности изделия. Кроме того, низкая скорость пошагового, послойного нагрева стержня по его сечению, тепловая инерционность процесса предполагает активное, длительное, дискретное по времени выделение летучих компонентов связующего, способствует порообразованию на поверхности стержня, приводящее к снижению прочностных и других характеристик качества изделия при эксплуатации в агрессивной среде и приводит к снижению эффективности известного способа. К тому же, к частично отвержденному изделию прилагают дополнительные усилия (обжимают в фильерах, затем оплетают), что не может обеспечить равномерности структуры по сечению и, соответственно, ее эксплуатационной устойчивости.
Задачей заявляемого технического решения является создание способа непрерывного изготовления стержня из композиционного материала, приемы которого позволяют повысить эффективность процесса, его экономическую привлекательность, повысить эксплуатационные возможности способа за счет создания монолитной и равномерной по сечению структуры стержня из разнородных материалов с разными диэлектрическими характеристиками независимо от типов используемых армирующих волокон и термореактивного связующего в широком диапазоне размеров поперечного сечения стержня путем реализации условий по обеспечению возможности регулирования процесса отверждения в соответствии с существующей потребностью при снижении верхней границы используемых температур, мощности источника энергии и минимизации потерь затраченной на процесс отверждения энергии.
Поставленная задача решается предлагаемым способом непрерывного изготовления стержня из композиционного материала, включающим пропитку армирующих волокон термореактивным связующим, формование профиля в фильере, фиксацию геометрии стержня в оплеточном устройстве, отверждение. Особенность заключается в том, что отверждение осуществляют под воздействием СВЧ-излучения при расположении армирующих волокон параллельно силовым линиям СВЧ-поля путем непрерывного пропускания стержня через камеры, последовательно запитанные от одного источника СВЧ-излучения и соединенные волноводами, для каждой стадии изменения состояния связующего от жидкого до твердого выбирают количество камер и задают расстояние между постадийно сгруппированными камерами, при этом обеспечивают дозированное возвращение СВЧ-излучения в обратном направлении посредством установки диафрагмы в СВЧ-пропускающем проеме поглощающей нагрузки, которая сообщена с последней из камер.
Проведенный сопоставительный анализ показывает, что заявляемый способ отличается от прототипа использованием одного источника нагрева для всех камер (в прототипе используют индивидуальный источник нагрева для каждой камеры); иной организацией процесса отверждения - непрерывно (в прототипе процесс отверждения прерывают - после первой камеры частично отвержденный стержень пропускают через фильеру, оплеточное устройство и снова через фильеру и только затем через остальные камеры); группированием набора камер по стадиям изменения состояния связующего от жидкого до твердого и пространственным рассредоточением постадийно сгруппированных камер (в прототипе камеры размещают одну за другой и только первую отделяют от последующих); иным источником нагрева - источник СВЧ-излучения (в прототипе - ламповый нагрев); возможностью регулирования процесса отверждения в широком диапазоне номенклатуры изготавливаемых стержней (в прототипе такая возможность исключена); отсутствием необходимости применения дополнительных технологических операций после начала процесса отверждения (в прототипе снимают избыточное связующее, пропуская стержень через две фильеры после частичного отверждения изделия в первой камере).
Именно совокупность отличительных от прототипа признаков с остальными существенными признаками позволила достичь вышеуказанного результата и решить поставленную задачу.
Пример 1
Для получения стержня, в частности, с диаметром 5 мм и степенью наполнения не менее 80% армирующее волокно (например, ровинг из стеклянных нитей ГОСТ 17139-79) пропускают через пропиточную ванну с термореактивным связующим (например, связующе ЭДИ на основе эпоксидной смолы ЭД-20 ГОСТ. 10587-84). Пропитанные связующим волокна направляяют через фильеру, в которой формуют профиль стержня. Затем в оплеточном устройстве фиксируют геометрию стержня и направляют в первую камеру, в которую подают СВЧ-излучение частотой 2450 МГц (например, от магнетрона).
В рамках существующей теории диэлектрического нагрева мощность тепловой энергии, выделяемая в единице объема диэлектрика электромагнитным полем, равна
P=0,555·εм·tg·δм·f·Ем 2·10-12 (Вт/м3),
где εм - относительная диэлектрическая проницаемость материала,
tg·δм - тангенс угла диэлектрических потерь материала,
f - частота генерации,
Ем - напряженность поля в материале.
Как видно из формулы, мощность тепловой энергии, выделяемая в объеме материала под действием СВЧ-поля, с одной стороны, зависит от частоты и напряженности этого же поля, с другой стороны, зависит от диэлектрических параметров нагреваемого материала. Частота тока для источника СВЧ-излучения является постоянной величиной. Она выбирается из разрешенных для промышленного применения частот, а также с учетом глубины проникновения электромагнитных волн СВЧ-диапазона в материал. Напряженность поля является управляемой величиной и зависит от исходной мощности источника СВЧ-излучения. Электрическая характеристика диэлектрика (у нас это композиционный материал из связующего и армирующих волокон) определяется диэлектрической проницаемостью материала ε и тангенсом угла потерь tgδ. Величины ε и tgδ являются справочными характеристиками материала. Произведение диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь называется коэффициентом диэлектрических потерь и характеризует свойства материала при СВЧ-нагреве. Диэлектрические параметры связующего ЭДИ изменяются в процессе отверждения стержня:
- диэлектрическая проницаемость - от 4 до 3;
- тангенс угла диэлектрических потерь - от 0,1 до 0,01.
Характеристики наполнителя:
- диэлектрическая проницаемость - 6,1;
- тангенс угла диэлектрических потерь 0,004.
Теперь рассчитаем энергетический баланс для конкретного техпроцесса. Примем скорость движения стержня - 3000±50 мм/мин. При данной скорости процесс отверждения стержня должен происходить по следующему температурному режиму:
I стадия - нагрев сырого стержня до температуры реакции полимеризации связующего, t=100±10°C.
II стадия - переход связующего в высокоэластичное состояние, t=30±5°C, температура ограничена температурой кипения связующего;
III стадия - переход связующего из высокоэластичного состояния в твердое состояние t=15±5°C, температура ограничена температурой деструкции.
Подставляя в вышеприведенную формулу значения диэлектрических параметров материала с учетом его объема, получаем тепловую мощность, выделяемую стержнем:
для первой стадии (сырой стержень) - P1 = 450 Вт;
для второй стадии (эластичный стержень) - P2 = 180 Вт;
для третьей стадии (твердый стержень) - P3 = 700 Вт.
То есть суммарно необходимо 1330 Вт.
Теперь надо распределить энергию по стадиям (конечно, возникает вопрос, а не легче ли взять три источника и запросто управлять реакцией, но сложность заключается в том, что при прохождении реакции диэлектрические параметры материала изменяются и падает способность материала поглощать СВЧ-энергию, то есть падает КПД нагрева). Распределение энергии по стадиям отверждения изделия производят, регулируя количество камер на каждой стадии. КПД нагрева сырого стержня диаметром 5 мм около 5%, эластичного стержня 2,5-3%, твердого стержня 0,5÷1%. В соответствии с КПД камеры вычисляем количество камер для каждой стадии: для первой стадии 6 шт., для второй - 5 шт. и для третьей стадии - 100 шт.
Конечно ставить 100 камер нерационально, поэтому берут более мощный источник СВЧ-излучения, а в конце СВЧ-тракта ставят диафрагму в пропускающем проеме поглощающей нагрузки с коэффициентом пропускания 30%, дозирующую мощность СВЧ-энергии, волна которой отразится от диафрагмы (70%) и пойдет обратно, складываясь с прямой волной и увеличивая КПД нагрева. Оснащение последней камеры поглощающей нагрузкой (например, водяной) необходимо, чтобы обезопасить магнетрон от перегрева при отсутствии стержня в камерах, так как вся непоглощенная энергия возвращается на него и вызывает его перегрев или возникновение разряда в волноводе. В известных из уровня техники решениях в таких случаях ставят дорогостоящие вентили-циркуляторы, которые поглощают отраженную волну энергии, но они снижают КПД, поглощая также и излучаемую магнетроном энергию.
Берем источник СВЧ-излучения мощностью 3 кВт и вычисляем количество камер для каждой стадии: для первой стадии - 3 шт., для второй - 3 шт., для третьей стадии - 20 шт.
В связи с тем что стержень состоит из материалов с разными диэлектрическими характеристиками (стеклянное волокно и эпоксидная смола), неравномерность их прогрева может привести к появлению термических напряжений на границе раздела фаз и, соответственно, к снижению качественных характеристик получаемого стержня. Для обеспечения равномерности прогрева необходимо время, чтобы температура от связующего передалась стеклянным волокнам за счет теплопроводности. Скорость выравнивания температуры зависит от разницы диэлектрических параметров материалов, от теплопроводности стеклянных волокон и от диаметра волокон (17 мкм). В нашем примере из-за низкого КПД нагрева и большого количества камер (а каждая имеет длину 60 мм) расстояние между сгруппированными по I и II стадиям камерами составляет 500 мм. Дальнейшее увеличение расстояния приведет к охлаждению стержня и увеличению габаритов.
При максимальной температуре нагрева на II стадии - 130°C реакция идет примерно 30 сек. При заданной скорости расстояние между сгруппированными по II и III стадиям камерами составляет 1500 мм.
Общая длина тракта отверждения составляет 3500 мм.
Для сравнения длина тракта отверждения при осуществлении способа по прототипу при изготовлении стержня аналогичного диаметра должна иметь длину 10 м и потреблять мощность 30-50 кВт.
Пример 2
Для получения стержня с диаметром 80 мм и степенью наполнения не менее 80% армирующим волокном (например, ровинг из базальтовых нитей ТУ 6-48-05786904-200-03), пропитанным термореактивным связующим (например, полиэфирная смола ГОСТ 27952-88), последовательность действий осуществляют аналогично примеру 1, но в первую камеру подают СВЧ-излучение частотой 433 МГц.
Диэлектрические параметры связующего изменяются в процессе отверждения стержня:
- диэлектрическая проницаемость - от 5 до 2,5;
- тангенс угла диэлектрических потерь - от 0,1 до 0,05.
Характеристики наполнителя:
- диэлектрическая проницаемость - 2,2;
- тангенс угла диэлектрических потерь 0,005.
Теперь рассчитаем энергетический баланс для конкретного техпроцесса.
Примем скорость движения стержня - 1000±50 мм/мин. При данной скорости процесс отверждения стержня должен происходить по следующему температурному режиму:
I стадия - нагрев сырого стержня до температуры реакции полимеризации связующего t=80±10°C;
II стадия - для полиэфирных смол процесс происходит очень быстро, поэтому вторая стадия нагрева по существу отсутствует;
III стадия - переход связующего из высокоэластичного состояния в твердое состояние t=30±5°C.
Подставляя в вышеприведенную формулу значения диэлектрических параметров материала с учетом его объема, получаем тепловую мощность, выделяемую стержнем:
для первой стадии (сырой стержень) - P1=8396 Вт;
для третьей стадии (твердый стержень) - P3=3777 Вт.
То есть суммарно необходимо 12173 Вт.
Распределение энергии по стадиям производят, регулируя количество камер на каждой стадии. КПД нагрева сырого стержня диаметром 80 мм около 30%, твердого стержня 8%. В соответствии с КПД камеры вычисляем количество камер для каждой стадии: для первой стадии - 1 шт., для третьей стадии - 13 шт. Осуществление диафрагмирования поглощающей нагрузки позволяет снизить количество камер до 8 шт. на третьей стадии отверждения стержня.
В связи с большим диаметром стержня даже СВЧ-поле распределено неравномерно, градиент напряженности от центра до периферии составляет примерно 10%. При диаметре волокна 22 мм и наличии всего одной камеры, а также слабом охлаждении стержня расстояние между первой стадией и последующей (третьей стадией, т.к. второй по существу нет) составляет 1500 мм.
Общая длина тракта составляет 5000 мм.
Изделия таких поперечных размеров способом по прототипу осуществлять нецелесообразно в силу низких технико-экономических показателей и низких характеристик качества получаемых изделий. На практике обычно производят послойное формирование стержня и послойное его отверждение. Максимальный размер поперечного сечения стержня, изготавливаемого заявляемым способом, ограничен только разрешенной к применению промышленной частотой источника СВЧ-энергии.
Вышеприведенные примеры осуществления заявляемого способа не являются исчерпывающими воплощениями изобретения. В частности, в качестве армирующих волокон используют органоволокно, углеродные, стеклянные, базальтовые волокна, а в качестве термореактивного связующего - эпоксидную, полиэфирную, эпоксиэфирную, фенолформальдегидную, меламиноформальдегидную, фурановую смолы или иные волокна и связующие, приемлемые для изготовления стержней.
Адиабатическое тепло, генерируемое в самом изделии из композиционного материала, имеющего сложную внутреннюю структуру, при воздействии СВЧ- излучения, саморазогрев, приводит к тому, что связующее диффундирует в волокна, обеспечивается максимальная площадь контакта разнородных материалов, отсутствует порообразование.
Непрерывная протяжка стержня через набор камер, соединенных волноводами, регулирование расстояния между сгруппированными по стадиям изменения состояния связующего от жидкого до твердого камерами, перераспределение тепловой энергии в зоне отверждения, дозированный возврат непоглощенной СВЧ-энергии в процесс позволяют осуществить мягкое, распределенное пространственно и по времени воздействие, не сжигающее верхний слой непрерывно движущего стержня, что особенно важно для стержней большого диаметра. При этом экономно расходуется энергия СВЧ-поля.
После отверждения идет этап охлаждения стержня при температуре окружающей среды до полного отверждения и последующая разрезка стержня на изделия заданной длины.
Качественные характеристики, эксплуатационная устойчивость структуры стержня, изготовленного заявляемым способом, соответствуют требованиям, предъявляемым к таким изделиям.
В аппаратурном оформлении предлагаемого способа используют известные в технике устройства.
Заявляемый способ увеличивает арсенал технологий, практически реализуем, эффективность его подтверждена прямыми экспериментами по изготовлению стержней различного диаметра из различных типов волокон и связующего в соответствии с существующей потребностью.
Способ непрерывного изготовления стержня из композиционного материала, включающий пропитку армирующих волокон термореактивным связующим, формование профиля в фильере, фиксацию геометрии стержня в оплеточном устройстве, отверждение, отличающийся тем, что отверждение осуществляют под воздействием СВЧ-излучения при расположении армирующих волокон параллельно силовым линиям СВЧ-поля путем непрерывного пропускания стержня через камеры, последовательно запитанные от одного источника СВЧ-излучения и соединенные волноводами, количество камер выбирают для каждой стадии отверждения стержня, при этом количество камер на каждой стадии регулируют в зависимости от распределения энергии по стадиям отверждения, задают расстояние между постадийно сгруппированными камерами в зависимости от температуры нагрева на каждой стадии отверждения и обеспечивают дозированное возвращение СВЧ-излучения посредством установки диафрагмы в СВЧ-пропускающем проеме поглощающей нагрузки, которая сообщена с последней из камер.
