устройство ультразвуковой пропитки

Формула изобретения

Устройство ультразвуковой пропитки наполнителя связующим, включающее в себя ванну со связующим, прижимные ролики для перемещения наполнителя вдоль дна ванны, ультразвуковую колебательную систему, состоящую из преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые, концентратора механических колебаний и рабочего инструмента, размещенную над поверхностью ванны со связующим таким образом, что рабочий инструмент погружается в связующее, отличающееся тем, что рабочий инструмент колебательной системы выполнен в виде пластины со скругленными краями, имеющей криволинейную излучающую рабочую поверхность с поперечным размером, установленным из условия обеспечения однослойного размещения наполнителя по ширине инструмента в процессе пропитки, и с продольным размером, выбранным из условия обеспечения требуемой степени пропитки при заданной скорости протягивания наполнителя через ванну со связующим, ультразвуковая колебательная система размещена над ванной со связующим с возможностью расположения акустической оси колебательной системы под углом к поверхности связующего в ванне, часть рабочего инструмента расположена над поверхностью связующего, прижимные ролики установлены с возможностью обеспечения механического контакта наполнителя с излучающей поверхностью ультразвуковой колебательной системы в процессе протягивания наполнителя вдоль поверхности рабочего инструмента, нижняя стенка ванны в месте расположения над ней рабочего инструмента колебательной системы выполнена под углом к поверхности связующего в ванне и перпендикулярна акустической оси колебательной системы, расстояние от поверхности рабочего инструмента до дна равно половине длины волны ультразвуковых колебаний в связующем на рабочей частоте колебательной системы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам пропитки волокнистых наполнителей различными полимерными связующими и может быть использовано в производстве изделий из волокнистых композиционных материалов (стеклопластиков, органопластиков, углепластиков).

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе волокнистых наполнителей (стекловолокон, органоволокон или углеволокон) и эпоксидного связующего и изделия из них обладают рядом уникальных свойств. Это определяет их широкое применение в различных отраслях современного производственного комплекса: от ракетной техники и космических технологий до изготовления изделий, используемых в быту.

В большинстве случаев преждевременное разрушение изделий из намоточных волокнистых композитов обусловлено недостаточным смачиванием и некачественной пропиткой полимерным связующим армирующих волокон, что значительно снижает адгезию и способствует образованию воздушных включений на границе раздела волокно - связующее [1]. Образовавшиеся в процессе пропитки поры выступают в качестве концентраторов напряжений, а прочность композита, особенно при межслойном сдвиге, существенно уменьшается. Увеличивается также разброс прочностных характеристик композита, что приводит к необходимости увеличения коэффициента запаса прочности, а в итоге - к утяжелению конструкции.

Одним из путей повышения качества и интенсификации пропитки, улучшающим прочностные характеристики намоточных изделий из волокнистых композитов, является создание условий, облегчающих проникновение связующего в межволоконное пространство и способствующих уменьшению количества газообразных включений в композите при пропитке.

Обеспечение требуемого качества изделий не всегда удается обеспечить, применяя традиционные механические устройства пропитки.

Поэтому для повышения структурной однородности композита и улучшения свойств полимерной матрицы широко используется ультразвуковая модификация эпоксидных композиций [2, 3].

Основными преимуществами УЗ обработки в процессе пропитки являются большая жизнеспособность связующего в композиции; малое время пропитки и малый процент включений воздуха в композите; возможность полной автоматизации процесса [4].

Наибольшее распространение при практической реализации технологий ультразвуковой модификации при производстве изделий из КПМ получили два типа устройств пропитки наполнителя связующим [5, 6].

Первый тип используемых устройств [5] представляет собой пропиточную ванну со связующим, к дну которой через подвижную мембрану крепится преобразователь электрических колебаний в механические (например, магнитострикционный преобразователь).

При подаче к преобразователю электрических колебаний такое устройство обеспечивает обработку всего связующего в пропиточной ванне ультразвуковыми колебаниями малой амплитуды (не более 3-10 мкм), поскольку большие амплитуды колебаний в преобразователях без использования специальных концентрирующих устройств получить невозможно.

Для более активного проведения процесса модификации эпоксидных композиций устройства ультразвуковой пропитки наполнителя связующим снабжаются ультразвуковой колебательной системой, размещаемой над ванной и имеющей концентратор механических колебаний [6]. Воздействие на наполнитель и связующее осуществляется через рабочий инструмент (рабочее окончание), погружаемый в связующее. Использование устройства пропитки второго типа с концентратором ультразвуковых колебаний дает возможность увеличить амплитуду колебаний (интенсивность) в несколько раз по сравнению с устройством первого типа и осуществлять более активное воздействие на обрабатываемые среды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство ультразвуковой пропитки по патенту США 4689244, принятое за прототип [7].

Устройство ультразвуковой пропитки наполнителя связующим, принятое за прототип, включает в себя ванну со связующим, прижимные ролики для перемещения наполнителя вдоль дна ванны, ультразвуковую колебательную систему, состоящую из преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые, концентратора механических колебаний и рабочего инструмента, размещенную над поверхностью ванны со связующим таким образом, что рабочий инструмент погружается в связующее.

Схематично устройство ультразвуковой пропитки наполнителя связующим представлено на фиг.1.

Устройство работает следующим образом. Армирующий волокнистый наполнитель, состоящий из множества непрерывных волокон 1, формируется в пучок и с помощью прижимных роликов поступает и протягивается через ванну 2 со связующим 3 до выходного устройства 4, обеспечивающего удаление излишков связующего. В процессе нахождения наполнителя в связующем осуществляется ультразвуковая обработка. Ультразвуковая обработка наполнителя осуществляется при прохождении наполнителя между эластичным материалом 7 и рабочим инструментом (рабочим окончанием) 6 электромеханического преобразователя 5. Эластичный материал 7 осуществляет прижим наполнителя к излучающей поверхности рабочего инструмента (рабочего окончания) 6 и обеспечивает движение наполнителя вдоль излучающей поверхности в процессе УЗ обработки.

Устройство увеличивает скорость взаимодействия между наполнителем и связующим, связующее лучше и быстрее пропитывает наполнитель, чем в традиционных механических устройствах пропитки.

Однако в устройстве [7] имеются следующие недостатки.

1. Излучающая поверхность имеет размер, соответствующий поперечному размеру сформированного пучка волокон. Малый размер излучающей поверхности концентратора колебательной системы обусловлен необходимостью увеличения коэффициента усиления концентратора и получения максимальной амплитуды УЗ колебаний, вводимых в наполнитель и связующее. Поскольку композиция наполнитель - связующее характеризуется аномально высоким коэффициентом затухания УЗ колебаний, амплитуда колебаний быстро уменьшается по мере удаления от излучающей поверхности и прилежащие к поверхности, и удаленные от нее волокна обрабатываются по разному. Уменьшение амплитуды колебаний в области удаленных от излучающей поверхности волокон может быть столь значительным, что не возникают кавитационные процессы и акустические течения становятся малоэффективными. Рассмотренный недостаток снижает эффективность пропитки и делает ее неравномерной по сечению пучка волокон.

2. Рассматриваемое устройство позволяет обрабатывать ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности только небольшой объем связующего с расположенным в нем наполнителем. Не обрабатываются области связующего вне зоны контакта с наполнителем. Зона устройства под излучающей поверхностью рабочего инструмента (рабочего окончания), где могла бы осуществляться обработка связующего (его дегазация и модификация), перекрыта эластичным материалом. Таким образом, максимально эффективная зона обработки перекрыта эластичным материалом. Кроме того, известно, что предварительная ультразвуковая обработка связующего повышает эффективность пропитки [8], а прототип этого не обеспечивает, снижая, тем самым, качество пропитки.

3. Принятое за прототип устройство не позволяет обрабатывать ультразвуковыми колебаниями наполнитель, вышедший из связующего, хотя известно [9], что ультразвуковая обработка вышедшего из связующего наполнителя (на воздухе) повышает эффективность пропитки, способствует равномерному распределению связующего и удалению газовых пузырьков.

4. В процессе работы устройства и УЗ обработки связующего осуществляется дегазация связующего. Возникающие под излучающей поверхностью инструмента мелкие кавитационные пузырьки объединяются в более крупные и всплывают на поверхность связующего в пропиточной ванне. В рассматриваемом устройстве основная часть образовавшихся пузырьков всплывает в зону УЗ пропитки (под излучающую поверхность), дробится на более мелкие и остается в наполнителе. В этом случае мелкие газовые пузырьки не удаляются из наполнителя и становятся концентраторами механических напряжений в конечном изделии, ухудшая его качество.

5. Прижим наполнителя к излучающей поверхности, осуществляемый эластичным материалом, не будет равномерным и постоянным в процессе работы устройства. Он будет зависеть от формы сформированного жгута волокон, скорости их перемещения перед излучающей поверхностью, вязкостью связующего, которое меняется в процессе нагревания. Это приведет к неравномерности пропитки и снизит эффективность используемого устройства пропитки.

6. Малый размер излучающей поверхности рабочего инструмента вдоль направления перемещения наполнителя не обеспечивает эффективной пропитки, особенно при высоких скоростях протягивания наполнителя. При этом возникает необходимость снижения скорости пропитки, что приводит к снижению производительности изготовления конечного изделия.

Перечисленные недостатки устройства ультразвуковой пропитки, принятого за прототип, снижают эффективность пропитки наполнителя связующим.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующих устройств ультразвуковой пропитки, создание устройства ультразвуковой пропитки, способного обеспечить повышение эффективности ультразвукового воздействия при проведении процесса пропитки наполнителя связующим, повысить качество изделий из композиционных материалов и увеличить производительность процесса пропитки и изготовления изделий.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном устройстве ультразвуковой пропитки наполнителя связующим, включающем в себя ванну со связующим, прижимные ролики для перемещения наполнителя вдоль дна ванны, ультразвуковую колебательную систему, состоящую из преобразователя электрических колебаний в ультразвуковые, концентратора механических колебаний и рабочего инструмента, размещенную над поверхностью ванны со связующим таким образом, что рабочий инструмент погружается в связующее. Рабочий инструмент колебательной системы выполнен в виде пластины со скругленными краями, имеющей криволинейную излучающую рабочую поверхность. Поперечный размер рабочего инструмента устанавливают из условия обеспечения однослойного размещения наполнителя по ширине инструмента в процессе пропитки. Продольный размер пластины выбирается из условия обеспечения требуемой степени пропитки при заданной скорости протягивания наполнителя через ванну со связующим. Ультразвуковую колебательную систему размещают над ванной со связующим таким образом, что акустическая ось колебательной системы располагается под углом к поверхности связующего в ванне. Часть рабочего инструмента располагается над поверхностью связующего, а прижимные ролики располагают таким образом, чтобы в процессе протягивания наполнителя вдоль поверхности рабочего инструмента обеспечивался механический контакт наполнителя с излучающей поверхностью ультразвуковой колебательной системы. Нижнюю стенку ванны в месте размещения над ней рабочего инструмента колебательной системы выполняют под углом к поверхности связующего в ванне, перпендикулярным акустической оси колебательной системы. Расстояние от поверхности рабочего инструмента до дна устанавливают равным половине длины волны ультразвуковых колебаний в связующем на рабочей частоте колебательной системы.

Предлагаемое устройство поясняется фиг.2.

На фиг.2 схематично показано устройство ультразвуковой пропитки, состоящее из ванны 2 с наполнителем 3, выходного отжимающего устройства 4 и ультразвуковой колебательной системы 5, заканчивающейся рабочим инструментом 6.

Устройство ультразвуковой пропитки наполнителя связующим работает следующим образом. Армирующий волокнистый наполнитель, состоящий из множества непрерывных волокон 1, формируется в пучок и с помощью прижимных роликов поступает и протягивается через ванну 2 со связующим 3 до выходного устройства 4, обеспечивающего удаление излишков связующего. Устройство обеспечивает обработку наполнителя в связующем ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности, создаваемыми пьезоэлектрическим преобразователем колебательной системы 5, усиливаемыми концентратором и через рабочий инструмент 6 вводимыми в наполнитель и связующее. Ультразвуковая обработка наполнителя осуществляется при прохождении наполнителя между стенкой ванны и рабочим инструментом 6.

Рабочий инструмент колебательной системы выполняют в виде пластины со скругленными краями, имеющей криволинейную излучающую рабочую поверхность (например, выпуклую, сферическую). Прижимные ролики расположены таким образом, что обеспечивают протягивание наполнителя вдоль всей криволинейной поверхности рабочего инструмента с натяжением.

Натяжение устанавливается достаточным для обеспечения постоянного механического контакта наполнителя с излучающей поверхностью рабочего инструмента ультразвуковой колебательной системы. Выбор излучающей поверхности рабочего инструмента криволинейной исключает механическое повреждение волокон в процессе пропитки.

Поперечный размер рабочего инструмента устанавливают из условия обеспечения однослойного размещения наполнителя по ширине инструмента в процессе пропитки. Это позволяет обеспечить равномерность УЗ обработки всех протягиваемых волокон. При этом перед излучающей поверхностью рабочего инструмента в процессе пропитки размещается меньше наполнителя, затухание УЗ колебаний (определяемое, в основном, затуханием в наполнителе) уменьшится, и обработке будет подвергаться весь объем связующего под излучающей поверхностью рабочего инструмента.

Размер пластины вдоль направления движения наполнителя увеличивают по сравнению с размером излучающей поверхности в прототипе. Это необходимо для увеличения времени УЗ воздействия в процессе пропитки, обеспечения одновременной ультразвуковой обработки связующего в ванне, наполнителя в процессе протягивания и допропитки наполнителя после выхода из связующего. Для этого ультразвуковую колебательную систему размещают над ванной со связующим таким образом, что акустическая ось колебательной системы располагается под углом к поверхности связующего в ванне. Часть рабочего инструмента располагается над поверхностью связующего. Она обеспечивает обработку вне связующего. Часть излучающей поверхности, контактирующая с наполнителем, обеспечивает его пропитку и обработку связующего (дегазацию и модификацию). В рассматриваемом устройстве обработка связующего обеспечивается также за счет излучения УЗ колебаний поверхностью рабочего инструмента, противоположной рабочей поверхности инструмента (контактирующей с наполнителем).

Нижнюю стенку ванны в месте размещения над ним рабочего инструмента колебательной системы выполняют под углом к поверхности связующего в ванне, перпендикулярным акустической оси колебательной системы. Расстояние от поверхности рабочего инструмент до дна устанавливают равным половине длины волны ультразвуковых колебаний в связующем на рабочей частоте колебательной системы. Исключение необходимости обрабатывать толстый жгут волокон и, соответственно, уменьшение затухания УЗ колебаний позволяет эффективно обрабатывать связующее под излучающей рабочей поверхностью. Выполнение стенки ванны в зоне обработки параллельной рабочей поверхности и обеспечение резонансного усиления УЗ колебаний за счет выбора расстояния между излучающей поверхностью и стенкой, равной половине длины волны, позволяет обеспечить повышение амплитуды колебаний в зоне обработки и у стенки ванны. Увеличение амплитуды колебаний у стенки ванны позволяет эффективно обрабатывать связующее (насыщенное воздухом), возвращаемое после отжима в ванну (на фиг.2 схематично показано капельками на дне ванны). Расположение колебательной системы и рабочего инструмента позволяет исключить попадание выделяющихся в процессе обработки газов в обрабатываемый наполнитель. Пузырьки воздуха всплывают перед не погруженной в связующее частью рабочего инструмента.

Для практической реализации предложенного устройства колебательная система состоит из пьезоэлектрического преобразователя, выполненного совместно с концентратором механических колебаний, оканчивающимся излучающей поверхностью рабочего инструмента. Колебательная система выполнена в виде волновой конструкции и реализована по ступенчато-экспоненциальной схеме, что обеспечивает максимально возможный коэффициент усиления, при близком к наилучшему согласованию электрического сопротивления пьезопреобразователя с акустическим сопротивлением технологической среды. Вследствие этого достигнуты оптимальные условия воздействия ультразвуковых колебаний на обрабатываемую технологическую среду: КПД преобразования энергии электрической промышленной сети в энергию ультразвуковых механических колебаний превышает 50%; созданы наилучшие условия для работы генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что для получения необходимого и достаточного качества пропитки стекловолоконного ровинга рабочий инструмент должен иметь излучающую площадь размерами не менее 16050 мм. Для обеспечения ультразвукового воздействия в процессе пропитки интенсивность излучения должна составлять 2...3 Вт/см² [10]. Это необходимые и достаточные условия для возникновения развитой кавитации в связующем. Так как максимальный размер выпускаемых промышленностью пьезокерамических элементов не превышает 50 мм, то были использованы три пакета параллельно подключенных пьезоэлектрических элементов при единых отражающей и рабочей концентрирующей накладках.

Поскольку связующее представляет собой жидкость с большим коэффициентом вязкости, то для обеспечения кавитационного режима ультразвукового воздействия необходимо обеспечить амплитуду колебаний на излучающей поверхности не менее 50 мкм. С учетом вышесказанного разработанная ультразвуковая колебательная система спроектирована таким образом, что ее собственная резонансная частота выбрана равной 18 кГц. При этом потребляемая мощность генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты, необходимая для поддержания режима оптимальной пропитки, не превышает 250 Вт.

Предложенное и практически реализованное устройство ультразвуковой пропитки позволило организовать в промышленных условиях ультразвуковую пропитку изделий из ПКМ, представляющих собой цельные стеклопластиковые стержни, диаметром от 2 до 10 мм. Температура связующего в ванне составляла 45-50 градусов Цельсия за счет поглощения ультразвуковой энергии в эпоксидной смоле. Содержание связующего в стержнях достигало 23,7...24,2%, причем в течение смены отклонения составляли не более 0,5% при различных значениях влияющих внешних факторов.

Применение устройства ультразвуковой пропитки позволило увеличить содержание связующего на 3-4%, а также повысить прочность конечного продукта на 20% и химическую стойкость на 17%.

Таким образом, наиболее важное звено технологического процесса - пропитка стекловолоконного ровинга эпоксидным связующим было реализовано с достижением максимальных показателей качества продукции - оптимальное содержание эпоксидной смолы в цельном стеклопластиковом стержне, отсутствие газовых включений, повышение прочности и химической стойкости.

В настоящее время в Бийском технологическом институте ведется изготовление опытной партии устройств ультразвуковой пропитки и ведется подготовка с серийному производству.

Источники информации

1. Цыплаков О.Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов. - Пермь, 1974. - Ч.1, - 317 с.

2. Хозин В.Г., Каримов А.А., Череватский А.М., Полянский А.А., Мурафа А. В. , Мурашов Б.А., Пименов Н.В. Модифицирование эпоксидных композиций ультразвуком // Механика композиционных материалов. - 1984. - 4, - с.702-706.

3. Прохоренко П. П. , Дежкунов Н.В., Коновалов Г.Е. Ультразвуковой капиллярный эффект. - Минск: Наука и техника, 1981, 135 с.

4. Городниценский П.Л., Косенков В.А., Статников В.Ш., Тросиянецкий Е.С. Ультразвуковая пропитка стеклоткани конструкций из стеклопластиков. Материалы IX Всесоюзной акустической конференции. - М.: 1978, с 103-106.

5. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. под ред. Дж. Любина. Пер. с англ. А.Б. Геллера и др. - М.: Машиностроение, 1988.

6. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. - М.: 1976, - 316 с.

7. United States Patent 4689244. Int. C1. B 05 D 3/12, Aug. 25, 1987. Donald I. Lusk, A.O. Smith Corporation, Milwaukee, Wis.

8. Колосов А.Е., Хозин В.Г., Каримов А.А., Клявкин В.В. Пропитка волокнистых наполнителей полимерными связующими // Механика композиционных материалов. - 1988. - 4, - с.651-659.

9. Колосов А.Е., Хозин В.Г., Каримов А.А. Виброакустический эффект при ультразвуковой пропитке волокнистых композитов // Механика композиционных материалов. - 1987. - 4. - с.743-746.

10. Хмелев В.П., Башара В.А., Никитин А.А., Цыганок С.Н., Барсуков С.В. Создание ультразвуковой установки для пропитки изделий из композиционных полимерных материалов. Сб. тез. докладов международной научно-практической конференции "Композиты - в народное хозяйство России" (Композит"99). - Барнаул: Алт ГТУ, 1999, с.42-43.