CC BY
86УДК 621.365.5
СВЧ-ЭНЕРГИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
С. Г. Калганова1, В. А. Лаврентьев1, Ю. С. Архангельский1, Е. Ю. Васинкина1, А. П. Белоглазов2
1 Саратовский государственный технический университет имени Ю. А. Гагарина Российская Федерация, 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77 E-mail: [email protected] 2ООО «НИАГАРА» Российская Федерация,119049, г. Москва, ул. Донская, 6/2 E-mail: [email protected]
Приведены результаты исследования по применению энергии СВЧ электромагнитных колебаний для интенсификации процесса отверждения эпоксидной смолы, с целью создания новой высокоэффективной СВЧ-технологии получения заливочных эпоксидных компаундов.
Ключевые слова: СВЧ-энергия, эпоксидный компаунд, композиционный материал, СВЧ-установка, режимы СВЧ-обработки.
MICROWAVE ENERGY TO MANUFACTURE COMPOSITE MATERIALS
S. G. Kalganova1, V. A. Lavrentiev1, Y. S. Arkhangelsky1, E. Y. Vasinkina1, A. P. Beloglazov2
1 Saratov State Technical University named after Y. A. Gagarin 77, Polytechnicheskaya Str., Saratov, 410054, Russian Federation E-mail: [email protected]
2LLC "NIAGARA" 6/2, Donskaya Str., Moscow, 119049, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article provides the results of research on applying microwave energy of electromagnetic waves to intensify the process of curing epoxy resins, to create new highly efficient microwave technology to obtain and cast epoxy compounds.
Keywords: microwave energy, an epoxy composite material, microwave installation, modes of microwave processing.
В качестве матрицы для композиционных материалов чаще всего применяются полимеры. Их распространение объясняется высоким качеством получаемых композитов, относительной простотой и дешевизной производства. В самом деле, технологии производств композитов с полимерными матрицами (армированных пластиков) развиваются очень быстро, так как не требуют наличия высокого давления или высокой температуры.
В настоящее время около трех четвертей всех армированных пластиков производятся на основе термореактивных матриц, в качестве которых используют эпоксидные, полиэфирные, полиимидные и фе-нольные смолы. Эпоксидные смолы не самые распространенные полимеры, однако, именно на их основе производятся композиты с максимальными механическими характеристиками.
Наиболее широкое применение получили жидкие эпоксидно-диановые смолы - это растворимые и плавкие реакционноспособные олигомерные продукты на основе эпихлоргидрина и дифенолпропана, которые технологичны при переработке в изделия, обладают меньшей токсичностью и относительно низкой стоимостью [1; 2].
Однако эпоксидные смолы и родственные полимерные смолы при традиционной технологии отвер-ждаются в течение суток, что ограничивает в некото-
рых случаях их применение. Внешний теплоподвод (например, конвективный или тепловое излучение) позволяет ускорить процесс отверждения, однако при этих способах нагрев объекта неравномерный по толщине из-за подвода тепловой энергии по поверхности тела.
В различных технологических процессах обработки диэлектриков широко применяются СВЧ электромагнитные колебания, которые могут приводить к изменениям физико-механических и физико-химических свойств объекта в результате теплового или нетеплового воздействия.
Применение энергии СВЧ электромагнитных колебаний для модификации свойств стимулируется рядом причин:
- интенсификацией процесса обработки за счет объемного проникновения электромагнитной волны в объект;
- равномерностью воздействия СВЧ-поля на объект;
- быстротой процесса воздействия;
- отсутствием загрязнения изделия в процессе обработки;
- высокой точностью управления технологическим процессом благодаря возможности точного дозирования СВЧ энергии;
- благоприятными экологическими условиями.
Решетневскуе чтения. 2017
Параметры процесса отверждения эпоксидного компаунда в СВЧ электромагнитном поле
Км / ^отв Время СВЧ-обработки, Тобр, с Температура образца после СВЧ-обработки, Т °С 1 обр; Время отверждения компаунда, Тотв , мин Время остывания компаунда, ТоСТ, мПН Показатель качества по условной шкале
на воздухе - 660 - 3
10 31 300 10 2
10:1 20 45 140 12 2
25 139 25 25 4
30 кипение 2 - 1
на воздухе - 780 - 3
10 34 360 19 2
12:1 20 45 160 25 2
30 59 120 45 3
40 142 16 32 4
50 кипение 4 - 1
на воздухе - 900 - 3
10 30 420 2 2
20 32 300 19 2
14:1 30 33 240 37 3
40 52 90 41 3
50 76 21 26 3
90 кипение 2 - 1
Поэтому научный и практический интерес представляет применение энергии СВЧ электромагнитных колебаний для интенсификации процесса отверждения эпоксидной смолы, с целью создания новой высокоэффективной СВЧ технологии получения заливочных эпоксидных компаундов.
Для выяснения особенностей процесса отверждения при воздействии СВЧ электромагнитных колебаний проведены исследования с эпоксидной смолой, формованной методом свободной заливки в прямоугольные диэлектрические кюветы [2].
Исследовано влияние времени СВЧ-обработки, которое меняли от 10 до 90 с, на время отверждения эпоксидной смолы при разных объемных соотношениях смолы и отвердителя (Ксм/Котв) в компаунде с учетом качественных характеристик отвержденных образцов (см. таблицу).
Критериями качественной оценки являлись твердость, прозрачность, однородность отвердевших образцов компаунда.
Установлено, что время отверждения смолы при кратковременном воздействии СВЧ электромагнитных колебаний сокращается в 10-50 раз. Оптимальные режимы обработки позволяют получить компаунд с высокими технологическими показателями, не уступающий контрольным образцам смолы, отвержденной на воздухе в естественных условиях [2].
В качестве отвердителя использовались амины, являющиеся летучими, токсичными веществами. Важное технологическое значение имеет тот факт, что при СВЧ-отверждении возможно снижение объемной доли отвердителя в компаунде без ухудшения качества образца.
Характерной стадией отверждения компаунда после кратковременного воздействия СВЧ электромагнитных колебаний является значительное уменьшение вязкости смолы (разжижение), после чего наблюдается быстрый переход в стеклообразное состояние (фазовый переход).
Это свойство представляет особый практический интерес при получении композиционных материалов (КМ), когда необходима достаточная жидкотекучесть компаунда на стадии переработки для заполнения форм, полостей, зазоров, щелей, пор и капилляров. В этом случае смолу без использования модификаторов можно смешивать с самыми различными наполнителями (металлическими, минеральными и органическими), а низкая начальная вязкость компаунда в результате СВЧ-обработки позволяет применять большие количества наполнителя без ухудшения качества КМ.
В этом случае свободной заливкой можно получать детали из КМ весьма сложной конфигурации без воздействия внешнего давления, что позволяет обходиться без термического прессового оборудования и дорогостоящих пресс-форм, при этом улучшаются эксплуатационные свойства смол [3].
Библиографические ссылки
1. Мэттьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология. М. : Техносфера, 2004. 408 с.
2. Инновационая СВЧ энергетика в производственных и строительных технологиях / С. Г. Калганова, С. В. Тригорлый, И. Н. Антонов и др. // Урбанистика: опыт исследований, современные практики, стратегия городов : сб. тез. Всерос. науч.-практ. конф. Саратов. 2017. С. 245-246.
3. Electrotechnology of non-thermal modification of polymeric materials in a microwave electromagnetic field / S. Kalganova, Yu. Arkhangelskiy, V. Lavrentyev еt al. // Proceedings of the XVIII International UIE-Congress "Electrotechnologies for Material Processing" (Hannover, June 6-9, 2017), Hannover, Germany, 2017. P. 333-337.
References
1. Mett'yuz F., Rolings R. Kompozitnyye materia-ly. Mekhanika i tekhnologiya. M. : Tekhnosfera, 2004. 408 s.
2. Innovatsionaya SVCH energetika v proizvodst-vennykh i stroitel'nykh tekhnologiyakh / S. G. Kalga-nova, S. V. Trigorlyy, I. N. Antonov i dr. // Urbanistika: opyt issledovaniy, sovremennyye praktiki, strategiya gorodov : sb. tez. Vseros. nauch.-prakt. konf. Saratov. 2017. S. 245-246.
3. Electrotechnology of non-thermal modification of polymeric materials in a microwave electromagnetic field / S. Kalganova, Yu. Arkhangelskiy, V. Lavrentyev еt al. // Proceedings of the XVIII International UIE-Congress "Electrotechnologies for Material Processing" (Hannover, June 6-9, 2017), Hannover, Germany, 2017. P. 333-337.
© Калганова С. Г., Лаврентьев В. А., Архангельский Ю. С., Васинкина Е. Ю., Белоглазов А. П., 2017
