CC BY
62
2. ГОСТ 25898-83 Материалы и изделия строительные. Методы определения сопротивления паропроницанию. М. : Издательство стандартов, 1983.
3. СНиП 23-01-99 Строительная климатология. М. : ГУП ЦПП, 2000.
4. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий. М. : ФГУП ЦПП, 2004.
5. СП 23-101-2004 Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловой защиты зданий. Введ. 01.06.2004. М., 2004.
6. ТСН 23-331-2002 Читинской области. Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий. Чита, 2002.
7. Гагарин В.Г. Козлов В.В. Математическая модель и инженерный метод расчета влажностно-го состояния ограждающих конструкций // Архитектура и строительство. 2006. № 2. С. 60-63.
8. Рубашкина Т.И. Нормирование тепловой защиты зданий в Читинской области/ Ресурсосберегающие технологии на транспорте и в промышленности : сб. науч. тр. Чита : ЗабИЖТ, 2007. С. 62-66.
9. Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий. М. : Строй-издат, 1984. 168 с.
10. Сигачёв Н.П. Исследование теплоустойчивости здания методом имитационного моделирования / Л.И. Елисеева, М.В. Востриков, Я.В. Клочков // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. №3 (27). С. 190-193.
11. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М. : Стройиздат, 1973. 287 с.
УДК 621.365.52
Попов Максим Сергеевич,
аспирант кафедры АПП, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 638395149, e-mail: [email protected] Лившиц Александр Валерьевич,
к. т. н., доцент, заведующий кафедрой АПП, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 638395362, e-mail: [email protected] Филиппенко Николай Григорьевич, к. т. н., доцент кафедры АПП, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 638395149, e-mail: [email protected] Попов Александр Сергеевич, магистрант, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 638395149, e-mail: [email protected] Каргапольцев Сергей Константинович, д. т. н., профессор, проректор, Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 83952638304, e-mail: [email protected]
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ ВЧ-ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИМ НАГРЕВОМ И АВТОМАТИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА
M. S. Popov, A V. Livchitc, N. G. Filippenko, A. S. Popov, S. K. Kargapoltsev
THE METHOD OF APPLICATION OF POLYMER POWDER COATINGS WITH HF ELECTROTHERMAL HEATING
Аннотация. В технологии покрытий большое значение имеют полимеры в порошкообразном виде. Они могут применяться для нанесения износостойких, коррозионностойких, антифрикционных и других покрытий. В статье описаны существующие способы нанесения полимерно-порошковых покрытий, рассмотрены их недостатки. Представлен новый ВЧ-электротермический способ нанесения покрытий, как эффективный и обладающий более высокими качественными характеристиками. Описаны преимущества ВЧ-диэлектрического нагрева в процессе формирования покрытия, в отличие от технологий с внешним подводом тепла, которые используются в существующих способах нанесения полимерно-порошковых покрытий. Описана установка для создания полимерных покрытий методом высокочастотной электротермии. Одним из показателей высокого качества полимерных покрытий является их прочность. Проведенные исследования позволили установить влияние температурно-временного фактора при изготовлении покрытий на прочность полимерной матрицы наносимого слоя. При этом прочность растет, достигнув максимальных значений, затем начинает снижаться. Построены зависимости прочности полиамидного покрытия от температуры спекания. Установлено, что при разных температурах спекания достигаются практически одни и те же значения максимальной прочности полимера.
Ключевые слова: полимерно-порошковое покрытие, методы нанесения покрытий, высокочастотная обработка, электротермия, полиамиды, прочность, спекание.
Abstract. In coating technology polymers in powder form are very important. They can be used for applying wear-resistant, corrosion-resistant, antifriction and other coatings. The article describes the existing methods for application of polymer powder coatings, discusses their shortcomings. Presents a new HF electrothermal method of coating, as effective and with higher quality characteristics. Describes the advantages of HF dielectric heating in the process of forming the coating, in contrast to the technology with an external supply of heat used in existing methods of applying polymer powder coatings. Describes the installation supposed to create polymer
Машиностроение и машиноведение
coatings by high-frequency electrothermics. One of the indicators of high quality polymeric coatings is their durability. Carried out researches have allowed to establish the influence of temperature-time factor in the manufacture of coatings on the strength of the polymer matrix of the applied layer. The strength increases reaching a maximum value, then begins to decline. The dependences of strength of polyamide coating from sintering temperature are formed. It is determined that at different sintering temperatures almost the same values of maximum strength of the polymer are achieved.
Keywords: polymer powder coating, coating methods, high frequency treatment, electrothermics, polyamides, strength, sintering.
Введение
Одним из направлений инженерии поверхности является нанесение покрытий различными способами. С точки зрения повышения надежности и ресурса необходимо, чтобы каждая деталь вне зависимости от материала изготовления имела защитное покрытие в соответствии со своим прямым назначением и условиями эксплуатации.
Покрытия представляют собой направленно сформированные поверхностные слои, существенно отличающиеся по своим свойствам от свойств материала основы и в значительной степени изменяющие свойства последнего. При этом габаритные размеры детали увеличиваются на толщину слоя покрытия, что позволяет использовать методы нанесения покрытий не только при изготовлении новых, но и при восстановлении изношенных деталей и конструкций [1].
Большое значение в технологии покрытий имеют полимеры в порошкообразном виде. Они могут применяться для нанесения износостойких, коррозионностойких, антифрикционных и других покрытий.
Методы нанесения порошковых полимерных покрытий на поверхность весьма разнообразны. Их классификация возможна по разным признакам: конструктивные формы применяемого оборудования; физическое состояние осаждаемого материала (твердые частицы, расплавленные частицы, аэрозоли и т. д.); принцип осаждения (схема) и удержания порошка на твердой поверхности [2-5].
Способы нанесения
полимерных покрытий
Наибольшее признание получили следующие способы нанесения порошковых материалов на поверхность: в псевдоожиженном слое, в ионизированном псевдоожиженном слое, газопламенный, струйный, электростатическое распыление, насыпание, в облаке заряженных частиц, плазменный и др. [2].
Основные способы нанесения полимерных покрытий имеют свои недостатки.
Нанесение порошков в псевдоожиженном слое. Способ заключается в том, что нагретое изделие погружают в псевдоожиженный слой порошкового материала. При контакте частиц полимера с нагретой поверхностью изделия они при-
липают к ней, прогреваются и расплавляются, образуя покрытие. Способ имеет недостатки. При псевдоожижении часть газа может проходить в виде пузырей, движение частиц может приводить к расслоению системы - сепарации (по плотности материала и по размеру частиц). Эти факторы приводят к неоднородному псевдоожижению, что не позволяет получить равномерное по толщине покрытие. Рост толщины покрытия увеличивает его тепловое сопротивление (по экспоненциальному закону), и наступает момент, когда наплавка прекращается и часть материала наружного слоя может быть неоплавленной. Появляются неоднородности слоя и его повышенная дефектность [5].
Газотермическое нанесение порошков. Газотермический метод заключается в нагреве поверхности твердого тела высокотемпературным факелом, через который подается порошковый полимерный материал. Термоактивированные частицы с большой скоростью направляются на поверхность, при ударе сцепляются с ней и друг с другом, образуя полимерный слой [2]. Способ имеет недостатки. Покрытие характеризуется высокой степенью неоднородности, пористостью, слоистым строением. Недостатком является малая производительность [5].
Нанесение порошков в электростатическом поле. Процесс электростатического нанесения порошковых полимеров состоит из электрозаряжения частиц, их переноса к подложке во внешнем электрическом поле, осаждения и удержания на ней частиц. Образуется электроосажденный слой. Окончательное формирование покрытия проводят путем прогрева изделия с полимерным слоем в нагревательных устройствах [2]. Способ имеет недостатки. При электроосаждении наступает момент, когда происходит заметное замедление или же вовсе прекращение осаждения частиц на подложку. В результате резко ухудшается качество осажденного слоя (локальные разрушения, снижение равнотолщинности, появление сквозных пор, кратеров и других дефектов). Характерной особенностью электростатического нанесения порошковых полимеров является ограничение толщины электроосажденного слоя, связанное с газоразрядными процессами в слое [2, 5].
Независимо от способа нанесения полимерного слоя, окончательное формирование покрытия
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
проводят путем нагрева традиционными способами (конвективный, контактный). Нагрев этими способами весьма длительный, энергозатратный и низкотехнологичный процесс. При попытке интенсифицировать этот технологический процесс с применением обычных источников контактного, конвективного или электрического нагрева рассчитывать на высокое качество не приходится из-за весьма ограниченной теплопроводности полимерных материалов. Вместо требуемого равномерного по объему нагрева покрытие вынужденно подвергается внешнему его перегреву с одновременным внутренним недогревом.
В связи с этим задачу улучшения качества покрытий и повышения производительности трудно переоценить.
ВЧ-электротермический способ нанесения полимерных материалов Анализ современных способов нагрева показывает, что наиболее эффективным методом обработки полимерных материалов является электротермическая обработка. Мощная высокочастотная (ВЧ) и сверхвысокочастотная (СВЧ) электротехника позволяют создать прогрессивные энергоэффективные технологические процессы или значительно их улучшить [6-11].
В работах [6-9] при выборе оптимального частотного диапазона режима электротермии проанализированы недостатки СВЧ-установок и преимущества ВЧ-диэлектрического нагрева. Учитывая особенность ВЧ-нагрева, процесс формирования покрытия имеет следующие преимущества, в отличие от технологий с внешним подводом тепла:
1. Равномерность нагрева всего объема наносимого материала. Источники тепла находятся не на поверхности наносимого материала, как
это часто имеет место при СВЧ- и конвекционном нагреве, а внутри него. В результате, при диэлектрическом нагреве наносимого материала градиент температур направлен равномерно из материала. Это обеспечивает многократное ускорение процессов полимеризации и спекания наносимого материала. Интенсивность ВЧ-волны во всем объеме наносимого материала постоянна, т. е. температура в каждой точке объема одинакова, что исключает перегрев наружных поверхностей [7].
2. Избирательный и саморегулирующийся нагрев. Данный эффект уменьшает неоднородность структуры наносимого материала [8].
3. Тепловая безинерционность. Поскольку ВЧ-нагрев определяется воздействием на наносимый материал переменного электрического поля, то в момент прекращения генерирования поля образование тепла в наносимом материале также прекращается [7].
Кроме того, ВЧ-нагрев обладает следующими положительными особенностями: простота подвода ВЧ-энергии к электродам (кабельная линия), обработка изделий любой формы и размеров, непрерывный контроль качества обработки, направленный поток ВЧ-энергии, возможность создания АСУ процессом обработки [10].
ВЧ-электротермический способ нанесения полимерно-порошковых покрытий не имеет перечисленных недостатков существующих методов нанесения полимерно-порошковых покрытий и обладает рядом преимуществ, которые делают способ нанесения полимерных покрытий эффективным и обладающим высокими качественными характеристиками.
Технологическое оборудование
ВЧ-нагрева
Схема установки для нанесения покрытия
представлена на рис. 1. Изготовление полимерно-порошкового покрытия осуществляется с помощью установки следующим образом. На поверхность детали (4) наносится слой полимерно-порошкового материала (3). Включается ВЧ-генератор (5). Энергия от ВЧ-генератора передается на высокопотенциальный электрод (1) через коаксиальную линию передачи ВЧ-энергии (6). Происходит электротермический нагрев в поле ВЧ, который приводит к спеканию наносимого полимерного порошкового материала (3) в слой, который образует покрытие необходимого назначения. Энергия, необходимая для спекания, выделяется непосредственно в наносимом полимерном материале. В результате получаем полимерное покрытие высокого качества (отсутствие термоокислительной деструкции, повышенная плотность, равномерность, безпористость) в максимальном приближении к бездефектному покрытию и повышенную эффективность нанесения полимерного покрытия. При получении покрытия используются все преимущества ВЧ-электротермии.
В качестве экспериментального оборудования использована установка высокочастотного нагрева модели УЗП-2500. Внешний вид установки показан на рис. 2.
Технические характеристики ВЧ-установки УЗП-2500:
Питание, В 380
Потребляемая мощность, Вт 3500
Номинальная мощность, Вт 2500
Рабочая частота, МГц 27,12 ± 0,16
Размеры верхнего электрода, мм 230^365 Внутренний объем, л 26
Тип лампы ГУ-95Б
Общий вес, кг 435
Рис. 2. Установка ВЧ-модели УЗП-2500
На данной установке производились научно -исследовательские и опытно-конструкторские работы различных авторов [6, 8, 9, 12]. Авторы этих работ изучали воздействие высокочастотного электрического поля на структуру и состояние изделий из полимеров, занимались автоматизацией управления технологическими процессами высокочастотной обработки полимерных материалов. Автоматизированная система научных исследований процессов высокочастотной обработки Необходимо отметить, что вследствие наличия сложных законов изменения электрофизических параметров полимеров от температуры, времени нагрева и других факторов при реализации технологических процессов ВЧ-обработки возникает большое количество проблем: необходимость
16 4 2 5 17 3 19 а а 20 1 15 12
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
защиты от пробоя, контроля релаксационного состояния материала и температур нагрева, контроля влажности материала и др. В связи с этим целесообразно при исследовании высокочастотной электротермии полимеров использовать современную автоматизированную систему научных исследований высокочастотной обработки (АСНИ ВЧ), созданную авторами [7-9, 12-15].
На рис. 3 изображена структурная схема аппаратной части АСНИ высокочастотной обработки полимерных материалов, содержащая: 1 - рабочий конденсатор ВЧ-оборудования; 2 - экранирующий корпус; 3 - переменный конденсатор регулирования напряжения рабочего конденсатора ир; 4 - источник постоянного напряжения; 5 - высокочастотный генератор; 6 - система управления сигнализацией; 7 - цепь управления генератором; 8 - исполнительный механизм; 9 - датчик анодного тока 1а, 10 - программируемый логический контроллер (ПЛК); 11 - акустические датчики регистрации частичных разрядов; 12 - датчик температуры Т°С; 13 - помехозащищенный корпус ПЛК; 14 - персональный компьютер; 15 - экранирующий кожух рабочего конденсатора; 16 -датчик тока силовой цепи; 17 - коаксиальный кабель; 18 - датчик высокочастотного напряжения; 19 - датчик положения переменного конденсатора (емкость конденсатора); 20 - датчик перемещения высокопотенциальной плиты рабочего конденсатора; 21 - блок автоматизации.
Вышеуказанная АСНИ ВЧ позволила провести ряд исследований в области высокочастотного нагрева с целью нанесения полимерных покрытий.
Экспериментальные исследования
Одним из показателей высокого качества такого технологического процесса является прочность полимерного слоя. В данной работе исследовано влияние температурно-временного фактора
при изготовлении покрытий на прочность полимерной матрицы наносимого слоя.
Прочность полимерной матрицы определялась с помощью образцов. Напряжения среза при механическом разрушении образцов будут действовать, если образец выполнен в виде тонкого диска и продавливается шплинтоном.
Для испытания в качестве образцов изготавливались полиамидные диски толщиной 1,0 мм и диаметром 20 мм. При этом толщина образцов будет соответствовать толщине полиамидных покрытий. В целях оптимизации процесса изготовления образцов были подготовлены специальные кассеты. С помощью одной кассеты изготавливается сразу шесть образцов.
Использование кассетных матриц позволило увеличить точность проводимого эксперимента, т. к. в этом случае значение предела прочности определялось как среднеарифметическое шести разрушенных образцов. Таким образом, изготовление шести образцов в одной матрице соответствовало получению одной точки на графике.
Для создания в образцах напряжений среза было создано специальное приспособление, которое позволяло фиксировать полимерный диск и обеспечивало строго перпендикулярное движение пуансона. Кондуктор состоит из корпуса, выполненного в виде полого ступенчатого цилиндра, внутрь которого коаксиально устанавливаются испытуемый образец и матрица. Пуансон помещается в корпус и, перемещаясь вдоль своей геометрической оси, продавливает образец. Усилие про-давливания регистрируется измерительным устройством.
С целью получения высокой точности в определении численных значений зависимостей произведен эксперимент при пяти различных температурах спекания: 200, 220, 240, 260, 280 °С. В
общей сложности получено по 12 точек на каждую зависимость при различных температурах. Таким образом, было подвергнуто разрушению более 380 образцов.
Полученные опытным путем данные позволили обнаружить, во-первых, что при разных температурах спекания достигаются практически одни и те же значения максимальной прочности полимера для каждой конкретной марки материала. На рис. 4 показана диаграмма максимумов прочности при определенных температурах спекания полиамида ПА-6. Во-вторых, замечено, что прочность полимерной матрицы при всех рассмотренных температурах спекания проходит два этапа. Сначала она растет, достигнув максимальных значений, затем начинает снижаться. С практической точки зрения этап падения прочности представляется неинтересным, поэтому рассмотрим только рост прочности.
Уравнения прямых «прочность - время» для разных температур спекания имеют следующий вид:
при Т = 280 оС: сь = 5,223*;
при Т = 260 оС: сь = 3,406*;
при Т = 240 оС: сь = 2,160*;
при Т = 220 оС: сь = 1,552*;
при Т = 200 оС: сь = 0,916*.
Заключение
Проведенные исследования позволили установить аналитические зависимости, описывающие рост прочности полиамидных покрытий под воздействием температурно-временного фактора. При этом прочность растет, достигнув максимальных значений, затем начинает снижаться. Установлено, что при разных температурах спекания достигаются практически одни и те же значения максимальной прочности полимера.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Черновол М. И., Шепеленко И. В. Способы формирования антифрикционных покрытий на металлические поверхности трения // Техшка в сшьськогосподарському виробницга, галузеве машинобудування, автоматизацiя. 2012. № 25 (1). С. 3-8.
2. Гатиятуллина Р.Ф., Бадрутдинова А.Н. Анализ полимерно-порошковых покрытий и методов их нанесения на поверхность. // Вестн. Казан. технолог. ун-та. 2014. Т. 17. № 21. С. 146-150.
3. Гаврилова В.А., Кашапов Н.Ф. Коронный разряд для полимерно-порошковых покрытий //
Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 7. С. 117-125.
4. Гатиятуллина Р.Ф., Бадрутдинова А.Н. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения полимерно-порошковых покрытий // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 20. С. 45-47.
5. Полякова К.К., Пайма В.И. Технология и оборудование для нанесения порошковых полимерных покрытий. М. : Машиностроение, 1972. 136 с.
6. Лившиц А. В. Управление технологическими процессами высокочастотной электротермии полимеров // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2015. №. 3. С. 120-126.
7. Лившиц А.В., Филиппенко Н.Г., Каргапольцев С.К. Высокочастотная обработка полимерных материалов. Организация систем управления. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2013. 172 с.
8. Филиппенко Н. Г. Автоматизация управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов : дис. ... канд. тех. наук. Иркутск, 2012. 160 с.
9. Определение физико-механических параметров полимерных материалов при высокочастотном диэлектрическом нагреве в электротермических установках / С. И. Попов и др. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. Вып. 2 (38). С. 152-157.
10. Филиппенко Н.Г., Каргапольцев С.К., Лившиц А.В. Повышение эффективности высокочастотной обработки полимерных материалов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 4. С. 50-54.
11. Демьянчук Б. А., Оленев Н. В. Итоги и перспективы развития технологии микроволнового нагрева диэлектрических материалов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2003. № 4. С. 57-60.
12. Попов С. И. Автоматизация управления технологическими процессами восстановления эксплуатационных свойств полимеров : дис. ... канд. тех. наук. Иркутск, 2013. 120 с.
13. Лившиц А. В. Автоматизированная система научных исследований высокочастотной электротермии // Проблемы машиностроения и автоматизации. М. : Изд-во НИАТ. 2015. № 4. С. 54-60 с.
14. Лившиц А.В. АСНИ ВЧ (Автоматизированная система научных исследований высокочастотной обработки) и изучение электрических пробойных явлений в электротермии // Научные
исследования: от теории к практике : материалы V Междунар. науч.-практ. конф. Чебоксары, 2015. № 4 (5). С. 54-59.
15. Лившиц А.В. Автоматизация научных исследований высокочастотной обработки полимеров //
Science and practice: new discoveries : материалы Междунар. науч. конф. Карловы Вары, М., 2015. С.106-114.
