Технология получения препрегов с высоким содержанием полимера Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕПРЕГОВ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ПОЛИМЕРА

В.Д. КОТЕНКО, проф. каф. материаловедения и ТКМ, МГУЛ, д-р техн. наук,

В.В. АБРАЗУМОВ, проф. каф. материаловедения и ТКМ, МГУЛ, д-р, техн. наук,

И.В. САПОжНИКОВ, доц. каф. процессов и аппаратов д/о производств, МГУЛ, канд. техн. наук, В.А. РОМАНЕНКОВ, зам. главного технолога ЗАО «ЗЭМ» РКК «Энергия», канд. техн. наук, Л.Н. КУЗНЕцОВА, вед. техн. «ЗЭМ» РКК «Энергия», инженер,

А.И. ТЕРЕХИН, вед. техн. «ЗЭМ» РКК «Энергия», инженер

[email protected]; [email protected]

Препреги на основе многослойных вязально-прошивных полотен (ПВП) из кремнеземных (КТ) и кремнеземно-капроновых (КТК) тканей, используемые для изготовления теплозащитных покрытий, по содержанию полимера и летучих продуктов должны отвечать требованиям, указанным в табл. 1.

В качестве связующего для пропитки таких полотен используется бакелитовый лак ЛБС-4 [1], представляющий собой раствор фенолоформальдегидной смолы (ФФС) в этиловом спирте. Содержание ФФС (полимера) в лаке составляет 50-60 мас. % g = 0,6-0,6 масс. ч.), воды не более 9 мас. % (g = 0,09 масс. ч.), свободного фенола не более 8,5 мас. %, остальное - этиловый спирт (растворитель). Пропитка полотен в открытых ваннах связующим с высоким содержанием растворителя до достижения требуемого содержания полимера является длительным технологическим процессом.

С целью сокращения длительности процессов пропитки и сушки с обеспечением требуемого содержания полимера и летучих продуктов в препрегах были проведены теоретические и экспериментальные исследования.

Многослойные вязально-прошивные полотна представляют собой пористые тела, поры которых в процессе пропитки заполняются связующим. По характеристикам компонентов препрега можно рассчитать не только пористость полотен, но и содержание полимера в полотне при разовой вакуумной пропитке, а также его предельное содержание, когда все поры в полотне будут заполнены полимером. Характеристики компонентов препрегов приведены в табл. 2.

Пористость П полотна и другие характеристики препрегов могут быть рассчитаны по формулам (расчет производится на единицу объема полотна - 1 см3)

- пористость полотна из кремнеземной ткани

ПКТ 1 РкТРс; (1)

- пористость полотна из кремнеземнокапроновой ткани

КТК

1 РКТК '(1 8к ) _ р КТК • gK.

^ 1

(2)

рс рк

- масса лака в полотне после вакуумного вливания мЛ = рЛ ПКТ (или ПКТК); (3)

- массовая доля лака в полотне

сл =--------мл------- 100%; (4)

мл + р КТ (или + р КТК )

- масса полимера в лаке

мф = 8ф мЛ. (5)

- массовая доля полимера в полотне (без учета растворителя и воды, которые могут быть удалены в процессе сушки)

м

сф =

ф

+ рКТ (или + р КТК )

м

•100%; (6)

1ф 1 НКТУ™*™ 1 У КТК)

- предельное содержание полимера в полотне ПВП-КТ (ПВП-КТК)

ПКТ (илиПКТК) • рф

с, =■

•100%. (7)

фп ПКТ (илиПКТК ) • рф + рКТ (илирКТК )

Рассчитанные по уравнениям (1-7) характеристики приведены в табл. 3, где при-

Т а б л и ц а 1

Требования к содержанию полимера и летучих продуктов в препрегах

Вид заготовок Содержание летучих продуктов, мас. % Содержание полимера, масс. %

ПВП-КТ 3-6 от 35 до 50

ПВП-КТК 7-13 не менее 40

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

77

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

Таблица 2

Характеристики компонентов препрегов

Плотность, г/см3: Содержание капроновых нитей в ткани КТК gK, масс. ч.

стеклянной нити, рс ткани КХ рКТ ткани КТК рКТК капроновой нити, рк лака ЛБС-4, рл Рф этилового спирта, рэ

2,2 0,9 0,7 1,13 1,041 1,3 0,8 0,45

Таблица 3

Расчетное содержание лака и смолы в полотнах при разовой вакуумной пропитке

Полотно Порис- тость Содержание в полотне лака, масс. % Расчетное содержание полимера в полотне при содержании ФФС в лаке при разовой пропитке, масс. % Содержание смолы по результатам опытной вакуумной пропитки, масс. % Предельное содержание смолы в полотне, масс. %

50 60

ПВП-КТ 0,591 40,6 25,5 29,1 - 46

ПВП-КТК 0,546 44,8 28,9 32,8 27,2; 30,8; 30,1 50

водятся также результаты опытной разовой вакуумной пропитки трех образцов полотен из ткани КТК.

Результаты расчетов показали, что содержание смолы в полотнах, полученное при опытной пропитке, достаточно хорошо согласуется с расчетными значениями. Это указывает на то, что при разовой пропитке можно обеспечить только то количество смолы в полотне (~ 30 %), которое содержится в лаке, замещающем воздух в порах полотна. Эти выводы подтверждаются и другими исследователями [2]. Таким образом, разовая вакуумная пропитка не обеспечивает требуемого содержания смолы в препреге.

Расчеты также показали, что при замещении воздуха в порах чистым полимером можно получить препреги с требуемым содержанием. В этом случае необходимо производить многократную пропитку, сочетая ее с вакуумной сушкой.

Процесс вакуумной пропитки осуществляется в закрытой герметичной форме, что позволяет количественно контролировать при пропитке объем (массу) закаченного в полотно лака, а при вакуумной сушке объем (массу) удаленного из полотна спирта (при этом пары спирта необходимо сконденсировать). Контролируя эти параметры - массу закаченного в полотно лака и массу удаленного из полотна спирта в процессе вакуумной сушки - можно не только управлять техноло-

гическим процессом, но и количественно рассчитать содержание в полотне смолы, спирта, воды. Если, например, по характеристикам пропитываемого полотна рассчитать объем пор в полотне и сравнить его с объемом закаченного в полотно лака, то можно судить о степени заполнения пор лаком. После вакуумной сушки можно рассчитать содержание смолы в полотне и т.д.

Удобнее всего сделать расчет универсальным, а не производить его каждый раз для конкретных размеров пропитываемого полотна. Поэтому расчет целесообразно производить на единицу объема полотна. Если нужно произвести расчет для полотна конкретных размеров, то достаточно будет рассчитать его объем, на который следует умножить характеристики единичного объема. За единицу объема принимаем 1 см3 (как в уравнениях 1-7).

Требуемое содержание смолы в ткани может быть обеспечено по следующей технологической цепочке: первичная вакуумная пропитка - удаление из лака, содержащегося в полотне, спирта (частично или полностью) вакуумной сушкой - замещение удаленного объема спирта из лака соответствующим объемом лака вакуумной пропиткой - удаление из лака спирта (частично или полностью) вакуумной сушкой - замещение удаленного объема спирта из лака объемом лака вакуумной пропиткой и т.д. до обеспечения содержа-

78

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

Таблица 4

Параметры технологического процесса, соответствующие номерам кривых

Номер кривой на рис. 1 Исходное содержание ФФС в ЛБС-4, масс. % Исходное содержание спирта в ЛБС-4, масс. % Количество удаляемого спирта при вакуумной сушке, масс. %

1 50 41 25

2 60 31 25

3 50 41 50

4 60 31 50

5 50 41 100

6 60 31 100

ния в полотне требуемого количества смолы. По достижении в полотне требуемого содержания смолы может быть осуществлена вакуумная сушка или кондиционирование под вытяжным зонтом до достижения в полотне допустимого количества летучих продуктов.

Содержание смолы, спирта и летучих продуктов определяются расчетом на каждом этапе процесса пропитки и сушки, а такие параметры, как количество лака для пропитки и количество удаленного при вакуумной сушке спирта, могут количественно контролироваться приборами установки.

По изложенному алгоритму разработана математическая модель, которая реализована в среде Mathcad 14. В начале программы имеется блок ввода исходных данных. По ходу выполнения программы выводятся результаты промежуточных расчетов. По окончании расчета можно построить графические зависимости изменения в процессах пропитка - вакуумная сушка всех рассчитываемых параметров - содержание в полотне смолы, смолы + вода, спирта, воды. Эти зависимости могут быть построены как на одном графике, так и каждая зависимость на отдельном графике.

Если в программу ввести габаритные размеры пропитываемого полотна и требуемое содержание смолы в пропитанной ткани, то можно рассчитать потребное для этого количество лака.

На рисунке, в качестве примера, приведены графические зависимости изменения смолы, смолы + вода, воды и спирта в зависимости от количества вакуумных пропиток и сушек на каждом этапе процессов пропитка - вакуумная сушка для кремнеземно-капро-

новой ткани, полученные расчетом по изложенному алгоритму.

Расчеты производились при разном содержании смолы в лаке и при разном количестве удаляемого вакуумной сушкой спирта из полотна (табл. 4).

Аналогичные расчеты были проведены для полотна из кремнеземной ткани. Сравнение полученных в результате расчетов данных для кремнеземной и кремнеземнокапроновой ткани показало, что для последней рост содержания смолы в ткани имеет более крутую зависимость. Обусловлено это тем, что полотно из кремнеземно-капроновой ткани имеет меньшую плотность и при том же объеме закаченной смолы отношение массы смолы к массе полотна будет больше.

Анализ зависимостей содержания компонентов от числа вакуумных пропиток и сушек показывает, что при исходном содержании смолы в лаке 50 % после второй вакуумной сушки и последующей пропитки удается обеспечить в полотне более высокое содержание смолы, чем при исходном содержании смолы в лаке 60 %.

Содержание воды в полотне увеличивается с понижением содержания смолы в лаке.

Содержание спирта в полотне после второй вакуумной сушки и последующей пропитки менее 5 %.

Численные расчеты по математическим моделям показали принципиальную возможность получения препрегов с высоким содержанием полимера. Процесс ступенчатой вакуумной пропитки и сушки является информативным и управляемым. Заранее можно рассчитать не только количество ваку-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

79

СпиРт, масс. % ФФС, масс. %

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

50

45

40

35

30

25

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

'■р

О4

6

ы

cd

g

«

+

о

©

©

Число пропиток

б)

Рис. 1. Содержание компонентов в полотне в зависимости от числа пропиток и исходного содержания ФФС в ЛБС-4: а - ФФС; б - ФФС + вода; в - спирт; г - вода

80

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013