Теоретические основы применения вибрационных технологий при изготовлении стеклопластиковых труб

Введение

Все более широкое применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в изделиях различных отраслей промышленности ставит задачу разработки новых технологий, обеспечивающих повышенные требования по эксплуатационным характеристикам конструкций из ПКМ [1, 2]. При внедрении новых материалов и технологий должны обеспечиваться необходимые упруго-прочностные характеристики ПКМ, в том числе стойкость материалов к воздействию эксплуатационных факторов, отрицательно влияющих на прочность, герметичность и долговечность использования [3–5]. Это позволит обеспечить более широкое внедрение конструкций из ПКМ в таких отраслях промышленности, как машино- и судостроение, строительство и др.

Стеклопластиковые трубы, изготовленные методом непрерывной намотки (МНН), являются стратегически важным продуктом для модернизации и развития критической промышленной инфраструктуры. В качестве основных преимуществ таких изделий можно выделить следующие:

• высокая коррозионная стойкость – не подвержены ржавчине, электрохимической коррозии, устойчивы к широкому спектру химикатов;
• высокая удельная прочность;
• долговечность – срок службы более 50 лет при правильной эксплуатации;
• низкие гидравлические потери – гладкая внутренняя поверхность;
• диэлектрические свойства;
• экологическая безопасность – инертность, отсутствие выделений.

Основной технологической проблемой изделий является пористость, образующаяся в процессе изготовления стеклопластиковых труб с помощью МНН. Причиной ее возникновения является захват воздуха между слоями волокон и нитями ровинга при намотке, недостаточная пропитка волокна связующим, испарение летучих компонентов связующего, усадка полимера при отверждении, дефекты укладки [6, 7].

Контроль и минимизация пористости являются ключевыми факторами обеспечения надежности, долговечности и конкурентоспособности стеклопластиковых труб, изготовленных МНН [8]. В настоящее время существует острая потребность в новых, технологичных и эффективных способах борьбы с пористостью непосредственно в процессе непрерывной намотки стеклопластиковых труб.

В данной работе представлена технология, позволяющая снизить пористость за счет вибрационного воздействия на оправку в процессе пропитки. Суть метода заключается в приложении контролируемых механических колебаний непосредственно к оправке в процессе намотки и начальной стадии отверждения.

Выполнено исследование закономерностей влияния параметров вибрационного воздействия на процессы структурообразования (дегазацию, смачивание, уплотнение) при непрерывной намотке стеклопластиковых труб и дана теоретическая оценка эффективности данного метода для снижения пористости и улучшения физико-механических свойств.

При оптимизации технологических параметров процесса намотки часто возникает конфликт между различными требованиями к свойствам материала и эффективности процесса. Невозможно одновременно достичь вязкости <300 мПа·с для пропитки и термостойкости связующего. Вибрационное воздействие позволяет временно снизить вязкость связующего за счет тиксотропного разжижения, что улучшает пропитку, после чего вязкость восстанавливается, обеспечивая необходимую термостойкость. Эффективность вибрационного воздействия зависит от частоты и амплитуды колебаний, а также от реологических свойств связующего.

Материалы и методы

В данной работе предлагается технология, основанная на вибрационном воздействии на оправку, что представляет собой принципиально иной физический подход к решению снижения пористости в стеклопластиковых трубах, изготовленных МНН. Вибрационное воздействие при намотке позволяет активно управлять процессами деаэрации, повышая смачиваемость и уплотнение материала, не прибегая к сложным и дорогостоящим технологиям.

Мощность узла, создающего вибровоздействие, составляет 0,5–3,0 кВт, что значительно ниже энергопотребления при применении традиционных методов, таких как автоклавное формование (40–100 кВт). Такой уровень энергопотребления делает вибрационный метод экономически привлекательным и экологически безопасным. При вибрационном методе энергия колебаний используется для активации процессов деаэрации и повышения смачивания наполнителя, в то время как автоклав требует значительных затрат на электроэнергию для нагрева и поддержания давления.

Вибрационный метод можно интегрировать в существующие установки для намотки, при этом не требуются значительная перестройка оборудования и изменение технологического процесса [9]. Использование вибрационного модуля не предусматривает остановки процесса намотки и позволяет проводить обработку материала в непрерывном режиме. Вибрационный метод обеспечивает также высокую эффективность в снижении пористости в слоях с дисперсным наполнителем, что является особо важным для производства герметичных и прочных стеклопластиковых труб, изготовленных МНН. Вибрационное воздействие обеспечивает снижение эффективной вязкости связующего и облегчает удаление воздуха из межволоконного пространства, что позволяет достичь плотной упаковки композита и снизить пористость.

Результаты и обсуждение

Вибрация при определенной частоте и амплитуде вызывает в обрабатываемом материале ряд динамических эффектов, которые усиливают капиллярный эффект, уменьшают поверхностное натяжение связующего, что может использоваться для более качественной пропитки и снижения пористости. Оптимальные параметры вибрации для полимерных связующих находятся в диапазоне частот 5–5000 Гц при амплитуде 0,01–5 мм. В этом диапазоне вибрационное воздействие обеспечивает баланс между негативным воздействием, приводящим к разрушению структуры, и положительным влиянием на повышение свойств материала изделия.

При вибрации на каждый компонент материала воздействуют периодически изменяющиеся силы инерции. Это приводит к относительному перемещению компонентов смеси, способствуя микроперемешиванию фаз и разрушению агломератов. Согласно науке о динамике, сила инерции прямо пропорциональна массе объекта и его ускорению. Вибрационное воздействие создает переменное ускорение, вызывая колебания компонентов, что эффективно при перемешивании компонентов с разной плотностью. Применительно к композитным материалам это способствует равномерному распределению наполнителя в виде частиц и волокон в связующем и предотвращает их седиментацию.

Такая вибрация в псевдожидких и вязких средах приводит к возникновению акустических течений – потоков, обусловленных нелинейными эффектами распространения звуковых волн. Это обеспечивает эффективное перемешивание, интенсификацию тепло- и массообмена, а также способствует дегазации материала. С точки зрения гидродинамики акустические течения возникают из-за поглощения звуковой энергии средой, что приводит к возникновению градиентов давления и, как следствие, к движению жидкости. В полимерных системах акустические течения способствуют удалению пузырьков воздуха, улучшению смачивания волокон наполнителя и равномерному распределению температуры в объеме материала [10].

При совпадении частоты вынужденных колебаний (вибрации) с собственной частотой колебаний элементов структуры материала возникают резонансные явления. Резонанс приводит к значительному увеличению амплитуды колебаний и, соответственно, к усилению воздействия на микроструктуру. С точки зрения теории колебаний резонанс возникает, когда энергия, передаваемая системе извне, эффективно накапливается, приводя к значительному увеличению амплитуды колебаний. В композитных материалах резонансные явления могут использоваться для разрушения слабых связей между частицами наполнителя, улучшения его диспергирования и активации процессов кристаллизации полимерной матрицы.

Ключевым параметром, характеризующим интенсивность вибрационного воздействия, является виброскорость, определяемая как

$$v = 2\pi fA, \tag{1}$$

где v – виброскорость, м/с; f – частота вибрации, Гц; A – амплитуда вибрации, м.

Для большинства полимерных систем оптимальная виброскорость находится в диапазоне 0,1–2 м/с. Выбор оптимального значения виброскорости зависит от конкретной задачи, свойств обрабатываемого материала и используемого оборудования. Слишком низкая виброскорость не обеспечит достаточного воздействия на материал, в то время как слишком высокая может привести к его разрушению или нежелательным изменениям структуры. Например, для деаэрации вязких полимерных систем требуется более высокая виброскорость, чем для простого перемешивания компонентов [11].

Анализ успешного применения вибрационного воздействия в различных технологиях переработки материалов позволяет выявить общие принципы и подходы, которые могут быть адаптированы для улучшения качества слоистых полимерных трубных композитов. Приведенные далее прецеденты иллюстрируют эффективность вибрации при решении задач, связанных с уплотнением, деаэрацией, улучшением смачивания и контролем микроструктуры материала.

Вибрационное уплотнение бетона

Вибрация в бетоне реализует эффект тиксотропного разжижения цементной суспензии, что позволяет достичь более плотной упаковки частиц цемента и заполнителя, а также эффективно удалять захваченный воздух. Тиксотропия – это свойство некоторых материалов, заключающееся в уменьшении вязкости под действием механического воздействия (например, вибрации). В случае бетона вибрация разрушает структуру, сформированную за счет сил Ван-дер-Ваальса между частицами цемента, что приводит к снижению вязкости и улучшению текучести бетонной смеси. В коллоидной химии этот эффект описывается как разрушение структуры геля под действием внешних сил.

Оптимальные параметры вибрации для уплотнения бетона обычно составляют: частота 150±50 Гц, амплитуда 0,5±0,3 мм. Выбор оптимальных параметров зависит от состава бетонной смеси, типа виброоборудования и геометрических размеров изделия [12].

Использование вибрационного уплотнения бетона приводит к снижению пористости с ~15 (для неуплотненного бетона) до 1–3 %. Снижение пористости способствует увеличению прочности бетона на сжатие, изгиб и растяжение, а также повышению его водонепроницаемости и морозостойкости.

Вибродегазация металлических расплавов

Для удаления растворенного водорода из металлических расплавов (например, алюминиевых сплавов) используется вибродегазация. Эффективность метода достигается при применении электромагнитных вибраторов, установленных на ковшах с расплавом. Электромагнитные вибраторы создают механические колебания, которые передаются расплаву металла.

Основной механизм дегазации – коалесценция пузырьков, обусловленная механизмом Бьеркнеса. В зависимости от частоты вибрации выделяются основные режимы поведения пузырьков.

В случае использования при вибродегазации низких частот (f < 100 Гц) возникает эффект коалесценции, характеризующийся притяжением мелких пузырьков газа и их слиянием в более крупные образования. Это обусловлено возникновением сил Бьеркнеса, которые вызывают взаимное притяжение пузырьков и способствуют их слиянию. Уравнение механизма Бьеркнеса, описывающее взаимодействие двух пульсирующих пузырьков, имеет следующий вид:

$$F_B = -\frac{2\pi\rho\sigma^2A^2R_1^3R_2^3}{d^4}, \tag{2}$$

где: F_В – сила взаимодействия между пузырьками; ω = 2πf – угловая частота; А – амплитуда вибрации; R₁, R₂ – радиусы пузырьков; ρ – плотность расплава; d – расстояние между центрами пузырьков; f – частота вибрации.

Согласно механизму Бьеркнеса, вибрирующие пузырьки создают акустические поля, которые взаимодействуют между собой, вызывая притяжение или отталкивание в зависимости от их размеров и расстояния между ними. Коалесценция пузырьков приводит к их слиянию и образованию более крупных пузырей, которые легче удаляются из расплава.

Так вибродегазация обеспечивает снижение содержания растворенного водорода в алюминиевых сплавах на 50–70 %. Это уменьшает вероятность образования пор в отливках и улучшает их механические свойства [13].

Вибрационное формование порошков (керамика, металлы)

При изготовлении изделий из керамики или порошковых металлов используется изостатическое прессование с наложением вибрации. Вибрация обеспечивает более плотную упаковку частиц порошка, что приводит к увеличению плотности и снижению пористости готового изделия. Это обеспечивает повышение прочности и улучшение эксплуатационных характеристик изделий.

Далее рассмотрим некоторые теоретические модели вибрационного воздействия на материал в процессе непрерывной намотки стеклопластиковых труб.

При воздействии вибрации структура полимерного материала может разрушаться, при этом происходит снижение его эффективной вязкости. Для каждого типа пузырька газа существует резонансная частота, при которой он начинает эффективно поглощать энергию из осциллирующего поля, при этом пузырьки начинают интенсивно колебаться.

Для эффективного удаления газообразных включений необходимо, чтобы частота вибрации была близка к резонансной частоте пузырьков газа в связующем. В этом случае пузырьки начинают интенсивно колебаться и объединяться друг с другом, что способствует их коалесценции и удалению из связующего.

Рассмотрим модель эффективной вязкости, которая описывает зависимость вязкости материала от интенсивности вибрационного воздействия:

$$\eta_{eff} = \eta_0e^{(-k\Gamma t)} + \eta_\infty, \tag{3}$$

где η_eff – текущее эффективное значение величины вязкости в момент времени t; η₀ – начальное значение величины вязкости при t = 0; η_∞ – конечное, установившееся значение величины вязкости при t → ∞; k – константа скорости процесса релаксации; Γ – средняя скорость сдвига; t – время.

При намотке наличие наполнителя в полимерном связующем увеличивает его вязкость и изменяет его реологические свойства. При этом следует учитывать влияние наполнителя на параметры модели (η₀, Γ). Для этого могут использоваться модели, описывающие зависимость эффективной вязкости суспензий и эмульсий [14].

Так как полимерные композиты обладают анизотропными свойствами, величина вязкости зависит от направления деформации. Таким образом, необходимо учитывать анизотропию при моделировании поведения связующего и наполнителей под действием вибрации. Для этого следует использовать тензорные представления вязкости.

Кроме модели эффективной вязкости, для описания влияния на полимерные связующие вибрации в процессе переработки важными являются модель вибросмачивания и модель, описывающая динамику поведения пузырей в осциллирующем поле. Эти модели позволяют оценить влияние вибрации на деаэрацию и смачивание, которые являются ключевыми факторами, определяющими пористость и качество композиционных материалов.

Осциллирующее поле, создающее вибрацию в жидкости, воздействует на пузырьки газа, вызывая их колебания, перемещение и коалесценцию. Для эффективной дегазации необходимо, чтобы пузырьки газа коалесцировали и образовывали более крупные пузыри, которые легче удаляются из жидкости.

При определении условий, при которых происходит слияние пузырьков в осциллирующем поле, используется критерий коалесценции, который рассчитывается на сравнении сил притяжения между пузырьками и сил, препятствующих их слиянию. Условие коалесценции двух пузырьков радиусом R записывается в виде:

$$\frac{A\omega}{R} > \sqrt{\frac{8\sigma}{\rho R^3}}. \tag{4}$$

где A – амплитуда вибрации, м; ω = 2πf – угловая частота вибрации, рад/с; f – частота, Гц; R – радиус пузырька, м; σ – поверхностное натяжение жидкости, Н/м; ρ – плотность жидкости, кг/м³.

Критерий коалесценции показывает, что коалесценция пузырьков произойдет, если сила притяжения между ними (сила Бьеркнеса) превысит силу сопротивления слиянию. Для эффективной деаэрации необходимо, чтобы критерий коалесценции выполнялся для большинства пузырьков газа в жидкости.

$$m \frac{d^2z}{dt^2} = F_b - F_d - mg + ma_v \sin \omega t, \tag{5}$$

где z – вертикальная координата пузырька; t – время; F_b = 4/3πR³ρg – выталкивающая сила; F_d = 6πηR(dz/dt) – сила Стокса; a_v = Aω² – виброускорение; m – эффективная масса пузырька с присоединенной массой жидкости.

Уравнение движения показывает, что движение пузыря определяется балансом сил, действующих на него. Выталкивающая сила и сила, обусловленная вибрационным ускорением, способствуют движению пузыря вверх, а сила Стокса препятствует этому движению.

Как сказано ранее, важным механизмом, определяющим влияние вибрации на процесс формирования структуры стеклопластиковой трубы, является динамика газовых пузырей в вибрирующем связующем. Наличие газовых пузырей в композите приводит к образованию пор, что снижает его прочность, водонепроницаемость и долговечность. Вибрация оказывает существенное влияние на движение, коалесценцию и разрушение газовых пузырей, что позволяет эффективно удалять их из композита.

Динамика газовых пузырей в вибрирующем связующем описывается модифицированной моделью Рэлея–Плессета, учитывающей влияние вибрационного давления на изменение радиуса пузыря во времени. Уравнение Рэлея–Плессета, описывающее радиальные колебания сферического пузыря в жидкости имеет следующий вид:

$$R \frac{d^2R}{dt^2} + \frac{3}{2} \left( \frac{dR}{dt} \right)^2 = \frac{1}{\rho} \left[ P_g - P_0 - P_{vib} \sin \omega t - \frac{2\sigma}{R} - \frac{4\eta}{R} \cdot \frac{dR}{dt} \right], \tag{6}$$

где P_g – давление газа внутри пузырька; P₀ – статическое давление в жидкости; P_vib = ρAω²L₀ – амплитуда вибрационного давления; L₀ – характерное расстояние от вибрирующей оправки до зоны пропитки.

Уравнение (6) показывает, что динамика изменения радиуса пузыря зависит от следующих сил: давления внутри пузыря, давления в жидкости, поверхностного натяжения, вязкого трения и вибрационного давления. При этом вибрационное давление оказывает дополнительное воздействие на радиус пузыря, вызывая его сжатие или расширение.

Модель эффективной вязкости позволяет использовать ее для описания поведения полимерных композитов при вибровоздействии, но при этом необходимо учитывать следующую особенность. Для пузырей с радиусом ~100 мкм резонансная частота составляет ~115 Гц, при которой наблюдается максимальная амплитуда колебаний и, соответственно, разрушение пузырей.

Ключевые этапы формирования структуры стеклопластиковой трубы – пропитка армирующего материала (волокна, кварцевого песка) полимерным связующим, укладка пропитанных наполнителей на оправку, дегазация (удаление захваченного воздуха) и гелеобразование (отверждение) полимерной матрицы [15]. Вибрационное воздействие, используемое на различных этапах процесса намотки, оказывает существенное влияние при протекании этих ключевых физических явлений на конечные свойства композита. Для разработки эффективных параметров воздействия на структуру стеклопластиковой трубы с помощью вибрации необходимо провести системный анализ технологических стадий и выявить механизмы воздействия вибрации на каждом из этих этапов.

Формирование структуры стеклопластиковой трубы при непрерывной намотке – многофакторный процесс, при котором вибрационное воздействие оказывает влияние на основные физические явления. Рассмотрим их с акцентом на механизмы взаимодействия с колебаниями.

Первый и один из важнейших этапов формирования структуры стеклопластиковой трубы – пропитка армирующего волокна полимерным связующим. Эффективность данного процесса определяет степень заполнения межволоконного пространства связующим, что напрямую влияет на механические характеристики и пористость готового композита. Применение вибрации на этапе пропитки может существенно интенсифицировать этот процесс, улучшая смачивание, снижая вязкость и способствуя удалению воздуха [16].

Процесс пропитки волокна полимерным связующим определяется в первую очередь капиллярными силами, обеспечивающим проникновение жидкости в узкие каналы между волокнами. Перемещение жидкости по капиллярам в пористой среде (в данном случае в жгуте стеклоровинга) можно описать уравнением Лукаса–Вашбурна:

$$\frac{dI}{dt} = \frac{r_{cap} \sigma \cos \theta}{4\eta_{eff} l}, \tag{7}$$

где l – длина пути перемещения связующего в жгуте стеклоровинга за время t, м; σ – поверхностное натяжение связующего, Н/м; r_cap – диаметр капилляра, м (для стеклоровинга эффективный диаметр капилляра определяется как расстояние между волокнами); θ – краевой угол смачивания, рад; η_eff – динамическая вязкость связующего, Па·с; t – время, с.

Уравнение (7) показывает, что скорость пропитки пропорциональна поверхностному натяжению и косинусу и обратно пропорциональна вязкости, а также уменьшается с ростом длины пропитанного участка (l). Таким образом, для эффективной пропитки необходимо использовать жидкости с низким поверхностным натяжением и хорошей смачиваемостью, а также с низкой вязкостью. Уравнение (7) также показывает, что величина проникновения жидкости увеличивается со временем, но скорость проникновения замедляется по мере увеличения глубины. Это связано с тем, что сопротивление течению жидкости увеличивается по мере заполнения капилляров.

Еще одно явление, определяющее влияние вибрации на процесс формирования структуры стеклопластиковой трубы, – улучшение смачивания стеклянного волокна полимерным связующим. Хорошее смачивание волокна обеспечивает прочное сцепление между волокном и матрицей, а это повышает механические свойства и долговечность композита. Вибрация также оказывает влияние на динамику смачивания, так как снижается краевой угол смачивания и увеличивается скорость растекания связующего по поверхности волокна [17].

Для описания влияния вибрации на процесс смачивания используется динамическая модель, которая учитывает влияние капиллярных, вязких и инерционных сил. Уравнение, описывающее динамический краевой угол смачивания под воздействием вибрации, можно представить в виде:

$$\cos \theta_{dyn} = \cos \theta_0 + \frac{A^2 \omega^2 pr}{2\sigma} \Phi(\text{Ca, We}), \tag{8}$$

где θ_dyn – динамический краевой угол смачивания (угол между касательной к поверхности жидкости и поверхностью твердого тела в точке трехфазного контакта при наличии движения); θ₀ – равновесный краевой угол смачивания – угол Юнга (угол между касательной к поверхности жидкости и поверхностью твердого тела в точке трехфазного контакта в состоянии равновесия); Φ(Ca, We) – эмпирическая функция, зависящая от капиллярного числа (Ca) и числа Вебера (We), описывающая влияние динамических эффектов на смачивание; r – радиус элементарного стекловолокна [18].

Уравнение (8) показывает, что динамический краевой угол смачивания зависит от равновесного краевого угла смачивания и от динамических эффектов, описываемых эмпирической функцией Φ. Капиллярное число характеризует влияние вязких сил на процесс смачивания. Чем больше капиллярное число, тем сильнее влияние вязких сил и тем медленнее происходит смачивание. Число Вебера характеризует влияние инерционных сил на процесс смачивания. Чем больше число Вебера, тем сильнее влияние инерционных сил и тем быстрее происходит смачивание. Вибрация влияет на капиллярное число и число Вебера, изменяя вязкость связующего и скорость его движения.

При увеличении частоты и амплитуды вибрации происходит снижение динамического краевого угла смачивания, что свидетельствует об улучшении смачивания стеклянного волокна. Механизм влияния вибрации на смачивание заключается в снижении энергетического барьера на линии контакта. Энергетический барьер препятствует растеканию жидкости по поверхности стеклянного волокна. Вибрация создает колебания молекул связующего, что облегчает преодоление энергетического барьера и способствует растеканию жидкости по поверхности стеклянного волокна.

Один из важных факторов, определяющих свойства стеклопластиковой трубы, – содержание воздушных включений (пор). Повышенное содержание пор приводит к снижению механических свойств, повышению водопроницаемости и снижению долговечности композита. Вибрация оказывает существенное влияние на динамику ускорения удаления воздуха из композита и способствует коалесценции пузырей и ускорению их движения к поверхности.

Завершающим этапом формирования структуры стеклопластиковой трубы является отверждение полимерного связующего. На этом этапе происходит образование трехмерной полимерной сетки, что приводит к увеличению прочности, жесткости и термостойкости материала. Вибрация оказывает влияние на кинетику гелеобразования, а также на структуру и свойства формирующейся полимерной сетки. С учетом вибровоздействия можно рассмотреть следующую модель полимеризации:

$$\frac{d\alpha}{dt} = (k_0 + k_v e^{-Bt})(1 - \alpha)^n e^{-\frac{E\alpha}{RT}}, \tag{9}$$

где dα/dt – скорость изменения степени превращения (скорость полимеризации); E_a – энергия активации полимеризации; R – универсальная газовая постоянная; T – температура; α – степень превращения (степень полимеризации); k_v – вибрационный коэффициент; k₀ – константа скорости полимеризации при отсутствии вибрации; B – параметр затухания вибрационного эффекта с ростом вязкости; n – показатель степени, характеризующий зависимость скорости от остаточной концентрации мономера.

Фундаментальное воздействие вибрации на композит в процессе формования заключается в изменении реологических свойств связующего. Одним из ключевых механизмов является влияние вибрации на реологические свойства связующего, а именно – вибрационная тиксотропия [19].

Вибрационная тиксотропия – это явление снижения вязкости материала под воздействием вибрации. В полимерных композитах это проявляется в снижении вязкости связующего, что облегчает его течение и улучшает пропитку армирующего материала.

В полиэфирных связующих пространственная сетка водородных связей обеспечивает относительно высокую вязкость в состоянии покоя. Вибрационное воздействие нарушает сетку водородных связей, и это приводит к снижению вязкости. С точки зрения физико-химии полимеров водородные связи представляют собой слабые межмолекулярные взаимодействия, которые могут быть легко разрушены под действием механических колебаний. Энергия, получаемая молекулами связующего при воздействии вибрации, превышает энергию водородных связей, что приводит к их разрыву. Этот процесс аналогичен процессу тиксотропного разжижения в коллоидных системах, где разрушение структуры геля при вибрации приводит к снижению вязкости.

Несмотря на значительный потенциал применения вибрации для повышения качества слоистых полимерных композитов, необходимо учитывать возможные негативные последствия и ограничения, связанные с вибрационным воздействием. Превышение определенных критических значений параметров вибрации может привести к нежелательным явлениям, таким как сепарация наполнителя, возникновение термоупругих напряжений и резонанс конструкций. Применение вибрации в процессе намотки композитов может приводить к следующим критическим явлениям.

При превышении определенного значения ускорения вибрации (a > 0,5g, где g – ускорение свободного падения; a = A(2πf)²; A – амплитуда; f – частота) происходит сепарация наполнителя, в результате чего более тяжелые частицы (например, песок) оседают в нижней зоне, а более легкие (например, полимерное связующее) поднимаются вверх. Сепарация наполнителя приводит к неравномерному распределению компонентов в композите, что ухудшает его механические свойства и может привести к образованию зон с повышенной пористостью. Это явление связано с действием силы инерции, которая пропорциональна массе частицы и ускорению вибрации. При достаточно большом ускорении сила инерции становится больше силы сопротивления среды, и частицы начинают перемещаться под действием этой силы. С точки зрения механики дисперсных систем сепарация наполнителя является проявлением гравитационной неустойчивости суспензии под действием вибрации [20].

При использовании высокочастотной вибрации (f > 300 Гц) в материале могут возникать термоупругие напряжения, обусловленные локальным нагревом из-за внутреннего трения и вязкоупругой диссипации энергии. Локальный нагрев может приводить к значительному повышению температуры и термическому разложению или деформации полимерного связующего. Интенсивность нагрева материала зависит от частоты и амплитуды деформации, а также от вязкоупругих свойств материала. При высокочастотной вибрации создается большое количество циклов деформации в единицу времени, что и приводит к значительному нагреву материала.

При совпадении частоты вибрации с собственной частотой колебаний оправки или других элементов оборудования может возникнуть резонанс, который приведет к значительному росту амплитуды колебаний и возникновению высоких напряжений в конструкции. Резонанс также может привести к разрушению оправки или других элементов оборудования, а также к снижению качества ПКМ. С точки зрения теории колебаний, резонанс возникает, когда внешнее воздействие оказывает максимальное влияние на колебательную систему. Для предотвращения резонанса частота вибрации должна отличаться от собственных частот колебаний элементов оборудования.

Вибрация также ускоряет процесс отверждения, что может приводить к преждевременному затвердеванию связующего и невозможности удаления воздушных пузырей. Это связано с тем, что вибрация интенсифицирует процессы тепломассопереноса и увеличивает скорость химических реакций. Для предотвращения этого негативного эффекта необходимо оптимизировать параметры вибрации и время ее воздействия.

При превышении определенного значения амплитуды вибрации может привести к возникновению усталостных трещин и даже к разрушению оправки. Максимальная амплитуда вибрации также зависит от частоты вибрации и конструкции оправки, что требует определенных энергозатрат на создание вибрации. Энергозатраты при вибрационном методе обычно составляют 0,8–3,0 кВт на тонну композита и зависят от параметров вибрации, конструкции оборудования и свойств материала. Для снижения энергозатрат необходимо оптимизировать параметры вибрации и использовать энергоэффективное оборудование.

Заключения

На основе анализа физических механизмов вибрационного воздействия, включающего инерционные силы, акустические течения и резонансные явления, а также обзора успешных промышленных прецедентов, таких как виброуплотнение бетона, вибродегазация металлических расплавов и вибрационное формование порошков, установлено, что управляемая низкочастотная вибрация является эффективным и энергоэкономичным способом снижения пористости полимерных композитов, формуемых методом непрерывной намотки. Модель вибрационной тиксотропии позволяет прогнозировать эффективную вязкость связующего в зависимости от скорости сдвига и времени воздействия, а критерий коалесценции газовых пузырьков, выраженный через безразмерное вибрационное число Вебера, определяет пороговые условия начала слияния пузырьков. Уравнение движения пузыря в вязкой среде и модифицированное уравнение Рэлея–Плессета дают возможность анализировать радиальные пульсации пузырьков и оценивать их резонансную частоту, которая для характерного размера пор составляет ~115 Гц. Динамическое смачивание описано зависимостью, связывающей краевой угол с вибрационным числом Вебера и капиллярным числом, что позволило учесть влияние вибрации на растекание смолы по поверхности элементарных волокон. Кинетика отверждения представлена моделью, учитывающей вибрационное ускорение реакции и его воздействие на пиковую экзотерму.

Таким образом, совокупность полученных результатов формирует научно обоснованную методику выбора частотно-амплитудных параметров вибрационного модуля, которая обеспечивает достижение минимальной остаточной пористости трехслойных стеклопластиковых труб при сохранении структурной однородности, технологичности и экономической эффективности непрерывного процесса намотки.