Введение

При изготовлении изделий из стекло-, угле- и органопластиков наибольшее распространение в качестве связующих получили термореактивные материалы [1–3]. Технология формования изделий из термореактивных полимерных композиционных материалов зависит от многих факторов: свойств используемых материалов, геометрической формы изделия, его массы, типа производства и т. д., в зависимости от которых изменяется последовательность и содержание технологических операций [4, 5]. Практически независимо от используемой технологии формования заключительной технологической операцией является отверждение, отличительная особенность которого – большая продолжительность и энергоемкость.

В процессе отверждения термореактивных полимерных материалов происходит образование поперечных химических связей между молекулами олигомера, что приводит к постепенному переходу его из жидкого состояния сначала в гелеобразное, а затем – в твердое [6–8].

Реакции сшивания могут протекать при взаимодействии функциональных групп олигомера и отвердителя – в результате реакций внутримолекулярных группировок, радикальной полимеризации и др., однако, независимо от механизма протекания химической реакции отверждения, она всегда связана с процессами структурирования. В процессе отверждения имеет место образование не только химических, но и физических связей, и весь комплекс эксплуатационных свойств сетчатых полимеров определяется соотношением количества химических и физических узлов сетки.

Отверждение изделий из полимерных композиционных материалов на основе термореактивной матрицы проводят, как правило, в автоклавах или электрических печах. В настоящее время проводятся многочисленные исследования по интенсификации процессов отверждения как полимерных композиционных материалов, так и лакокрасочных покрытий, резино-технических изделий и др. [9, 10]. Для интенсификации процессов отверждения используется индукционный и СВЧ-нагрев, инфракрасное (терморадиационное), радиационное, электронно-лучевое и ультрафиолетовое отверждение [7, 8]. Исследования последних лет выявили перспективность использования энергии электромагнитных колебаний сверхвысоких частот (СВЧ) [11].

При использовании электрических печей нагрев осуществляется от внешней поверхности формуемой детали вглубь, тогда как отличительной особенностью СВЧ-нагрева является его объемный характер, что способствует формированию более однородного распределения температуры как на поверхности, так и внутри отверждаемого изделия. Еще одним преимуществом СВЧ-нагрева является его меньшая себестоимость по сравнению с такими методами, как терморадиационный, электронно-лучевой и др.

Целью данной работы является оценка продолжительности процесса отверждения в электрической печи и с помощью СВЧ-нагрева.

Материалы и методы

Объектом исследования являлся органопластик, изготовленный методом мокрой намотки из арамидного волокна марки Армос 100А и эпоксидного связующего ЭДТ-10. Наружный диаметр детали составил 100 мм, толщина 10 мм, длина 100 мм.

Процесс отверждения образцов методом СВЧ-нагрева проводили в микроволновой печи «Электроника СП-10М», мощностью 600 Вт с частотой микроволнового излучения 2450 МГц. Температуру образца органопластика измеряли непосредственно в процессе нагрева с помощью стандартных экранированных термопар типа ХА с диаметром термоэлектродов 0,3 мм. В термопаре под воздействием СВЧ-излучения наводятся токи, искажающие принимаемый сигнал, что приводит к нагреву спая термопары и термоэлектродов. Для уменьшения импульсных скачков напряжения в сигнале термопары от СВЧ-излучения использовалась специальная установка.

В данной работе использовали два режима отверждения: одно- и трехступенчатый (см. рисунок).

Схема режимов отверждения: одноступенчатый (а, б) и трехступенчатый (в, г) при использовании электрической печи (а, в) и СВЧ-нагрева (б, г)

Одноступенчатый режим состоит из трех этапов: подъем температуры до заданного значения – участок 1 (для использованного связующего 150°С), выдержка при заданной температуре – участок 2 (для использованного связующего 3 ч) и охлаждение до комнатной температуры – участок 3. Для трехступенчатого режима отверждения участок 1, на котором происходит нагрев до заданной температуры, подразделяется на шесть областей, которые в свою очередь разделяются на три этапа подъема температуры: 1₁, 1₃ и 1₅ и два этапа выдержки на этих участках: 1₂ и 1₄. На участке 1₂ нагрев проводили до 80°С, на участке 1₄ – до 120°С. Выбор данных значений связан с температурами начала и окончания процесса гелеобразования.

Для реальных изделий из полимерных композиционных материалов на основе термореактивной матрицы сложно определить оптимальный режим отверждения, так как одновременно необходимо учитывать: количество теплоты, выделяющейся в процессе отверждения; теплофизические свойства наполнителя; геометрическую форму изделия (его габариты и массу); теплофизические свойства оснастки и конструкцию оборудования, которое применяется для отверждения изделия. Одновременно учесть влияние всех этих факторов практически невозможно, и в данной работе использован упрощенный метод, при котором объект исследования и режимы отверждения рассматриваются только как модель, позволяющая оценить суммарную продолжительность процесса отверждения.

Результаты и обсуждение

Далее приведены экспериментально полученные значения температур исследуемого образца при СВЧ-нагреве:

Схемы технологических операций отверждения при использовании стандартного оборудования (электропечи) и СВЧ-нагрева показаны на рисунке. В табл. 1 приведены значения продолжительности технологического процесса отверждения для одно- и трехступенчатых режимов отверждения при использовании электропечи и СВЧ-нагрева.

Таблица 1

Продолжительность процесса отверждения органопластика

Авторы работ [6, 11] показали, что при СВЧ-нагреве имеет место ускорение процессов отверждения, и поэтому в данной работе выдержку при температуре 150°С снизили с 3 до 1 ч. В результате общая продолжительность процесса отверждения составила 172 мин, по сравнению со стандартными 323 мин.

В табл. 2 приведены характеристики органопластиков, отверждение которых проводили по одноступенчатому режиму при использовании стандартного способа нагрева в электрической печи и СВЧ-нагрева.

Таблица 2

Показатели качества при разных методах отверждения полимерного связующего

Анализ полученных результатов показывает, что степень конверсии при использовании электрической печи выше, чем при СВЧ-нагреве, а также существенно меньше погрешность изменения параметров формы. В то же время величина модуля упругости при отверждении СВЧ-методом выше, чем при использовании стандартного оборудования. По величине усадки и пористости свойства органопластиков одинаковые и от использованного способа нагрева не зависят. Однако значения среднеквадратических отклонений по показателям пористости и усадке при использовании СВЧ-нагрева намного выше, чем при использовании электропечи.

Заключения

В результате проведенных исследований установлено, что эффективность СВЧ-нагрева не является бесспорной и невозможно дать однозначного ответа о целесообразности его применения, поскольку ряд характеристик получаемых полимерных композиционных материалов ниже, а некоторые показатели выше, чем при использовании стандартной технологии. Суммарная продолжительность технологического процесса отверждения при использовании СВЧ-нагрева меньше, а величина модуля упругости выше. Величины пористости и усадки мало зависят от используемой технологии отверждения, однако значения среднеквадратических отклонений этих показателей в 2 и более раз выше, чем при стандартной технологии отверждения. При использовании в качестве объекта исследования деталей цилиндрической формы установлено увеличение погрешности изменения параметров формы. Однако для ряда деталей из органопластиков, к которым не предъявляются высокие требования, связанные с погрешностями изменения параметров формы изготавливаемого изделия, эта технология отверждения может быть успешно применена.