CC BY
26
УДК 620.181 Буторин Денис Витальевич,
аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89041203901, e-mail: den_butorin@mail.ru
Филиппенко Николай Григорьевич, к. т. н., доцент кафедры «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89025121754, e-mail: pentagon@mail.ru
Филатова Снежана Николаевна, аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89041170444, e-mail: Jilatova_sn@irgups.ru
Лившиц Александр Валерьевич, к. т. н., доцент, заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов»,
тел. 89501378441, e-mail: livnet@list.ru Каргапольцев Сергей Константинович, д. т. н., профессор, проректор по научной работе, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8(3952)638362, e-mail: kck@irgups.ru
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ
В ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ
D. V. Butorin, N. G. Filippenko, S. N. Filatova, A. V. Livshits, S. K. Kargapolcev
THE DEVELOPMENT OF METHODS OF DETERMINATION OF STRUCTURAL TRANSFORMATIONS IN POLYMERIC MATERIALS
Аннотация. Разработана методика определения структурных превращений в полимерных материалах, заключающаяся в линейном разогреве полимерного образца контактным способом с постоянным контролем теплового расширения и периодической подачей на образец ВЧ-энергии с целью определения динамики коэффициента диэлектрических потерь. Линейный разогрев реализован за счет пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования.
Впервые в рамках настоящих исследований был применен метод комплексирования на основе амперометрического и термомеханического способов, который позволил осуществлять контроль фазовых превращений в полимерных материалах в процессе нагрева.
Сформирован комплекс контролируемых и управляемых параметров контроля изделий из полимерных материалов и критерии их оценки.
Анализ полученных данных показал, что изменение фазового состояния (начало плавления) соответствует первому минимуму значений анодного тока. Состояние первого максимума анодного тока было идентифицировано как момент начала сегментальной подвижности полярных групп.
Также была определена скорость изменения анодного тока методом левой конечной разности первого порядка аппроксимации. Данное дифференцирование позволило организовать контроль соответствия текущего значения анодного тока экстремумам тангенса угла диэлектрических потерь в виде контроля достижения скоростью изменения анодного тока нулевого значения.
Ключевые слова: полимеры, структурные превращения, термическая обработка, ВЧ-обработка, ПИД-регулятор.
Abstract. The method of determination of structural transformations in polymeric materials, consisting in linear heating a polymer sample by contact with the permanent control of thermal expansion and periodic submission to the sample HF energy to defined the dielectric loss factor dynamics. Linear heating is realized by proportional-integral-differential control law.
For the first time in this study the method of aggregation, based on amperometric and thermomechanical methods that allowed to control phase changes in polymer materials in the heating process was used.
The complex of controlled and managed control parameters of products from polymeric materials, and evaluation criteria is
formed.
Analysis of the data showed that the change in the phase state (beginning of melting) corresponds to the first minimum value of the anode current. Condition of the first maximum of the anode current was identified as the beginning of segmental mobility of the polar groups.
Also the rate of change of the anode current by the left first order finite difference approximation was determined. This differentiation allowed to organize control of compliance of the current value of the anode to dielectric loss tangent extrema as the control of achieving zero value by the rate of change of the anode current.
Keywords: polymers, structural transformations, heat treatment, high-frequency processing, PID controller.
Введение
Полимерные материалы на сегодняшний день являются одним из широко используемых классов современных конструкционных материалов. Широкое распространение данные материалы получили благодаря своим уникальным свойствам: стойкости к коррозии; высокой степени устойчивости к различным видам механических и химических воздействий, возможности работы в
агрессивных средах, хорошему поглощению звука и вибрации. Они обладают электро- и теплоизоляционными свойствами. Тем самым полимерные материалы приходят на смену ряду конструкционных материалов.
При разработке технологического процесса изготовления любого изделия технолог решает ряд задач, одной из которых является получение изделия с заданными эксплуатационными свойствами.
Машиностроение и машиноведение
В отношении металлов и конструкционных материалов данная задача не вызывает существенных трудностей, поскольку на сегодняшний день свойства и возможности данного класса материалов раскрыты достаточно полно, чего нельзя сказать о полимерах. Свойства полимеров определяются их надмолекулярными структурами. Механические свойства полимеров зависят от условий структу-рообразования и могут быть изменены в достаточно широких пределах [1].
Поэтому актуален вопрос изучения процесса структурных превращений, происходящих в полимерах. Его решение необходимо для организации управления механическими и электрофизическими свойствами изделий из полимерных материалов.
Одним из наиболее доступных в машиностроении методов управления механическими свойствами полимеров является термическая обработка. Ведущие производители [2] сырья и готовых изделий из полимерных материалов также рекомендуют термообработку как основную технологическую операцию.
Постановка цели и задач исследования
В связи с этим целью данных исследований было изучение структурных превращений в полимерных материалах в процессе их термообработки. Достижение поставленной цели возможно после решения ряда задач:
- выбор способов и режимов термической обработки полимеров;
- выбор контролируемых параметров процесса нагрева полимерных материалов;
- разработка методики определения структурных превращений в полимерах;
- определение способа линейного разогрева полимерного образца;
- апробация разработанной методики и анализ результатов.
Выбор способов и режимов термической обработки полимеров
Режим термообработки характеризуют максимальная температура ¿шах, до которой был
нагрет полимерный материал при термообработке, время выдержки материала т при этой температуре, скорость нагрева Ун и скорость охлаждения У0
материала [1, 3].
Применительно к полимерным материалам различают четыре вида термообработки: закалка, отжиг, нормализация, отпуск [3].
Нагрев традиционными способами (конвективный, контактный) - весьма длительный и энергозатратный процесс. Анализ современных способов нагрева показывает, что наиболее эффективным является диэлектрический поляризационный нагрев, т. е. нагрев диэлектрических материалов переменным электрическим полем. Примером такого способа нагрева являются высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) печи.
В связи с этим способ диэлектрического нагрева стал предметом научных исследований многих ученых, большая часть работ которых направлена на разработку технологических процессов электротермической обработки полимерных материалов (сварка, сушка, термическая обработка, диагностика, восстановление) [4-8].
Различают высокочастотный и сверхвысокочастотный диэлектрический нагрев. На рис. 1 представлена схема воздействия ВЧ- и СВЧ-энергии.
Обзор проведенных теоретических и экспериментальных исследований показал, что наиболее предпочтительным является нагрев полимеров диапазоном частот ВЧ-излучения, которое имеет ряд преимуществ перед СВЧ, конвективным и контактным способами нагрева: - равномерность;
Рабочий конденсатор ВЧ-генерагора Рабочая камера СВЧ-генератора
Рис. 1. Схема воздействия ВЧ- и СВЧ-энергии: 1 - высокочастотный генератор; 2 - коаксиальная линия передачи ВЧ-энергии; 3 - подвижная высокопотенциальная плита рабочего конденсатора; 4 - волны электромагнитного излучения; 5 - нагреваемое тело; 6 - нижняя заземляющая плита рабочего конденсатора; 7 - СВЧ-генератор (магнетрон); 8 - СВЧ-волновод
- интенсивность;
- избирательность;
- саморегулируемость;
- тепловая безынерционность;
- простота подвода ВЧ-энергии к электродам (кабельная линия);
- обработка изделий любой формы и размеров;
- возможность контроля качества обработки;
- линейность потока ВЧ-энергии (при СВЧ поток хаотичен);
- возможность создания автоматизированной системы управления (АСУ) процессом обработки.
Таким образом, в рамках настоящего исследования был выбран способ и наиболее эффективный частотный диапазон диэлектрического нагрева.
Выбор контролируемых параметров
процесса нагрева полимерных материалов
Управление процессом электротермической обработки полимерных материалов - задача, от решения которой зависит качество их обработки. Измерение параметров обрабатываемых диэлектрических материалов непосредственно в зоне ВЧ-воздействия - это затратная и технически сложная задача.
Ряд отечественных и зарубежных авторов [9, 10] решение данной задачи видят в организации контроля процесса ВЧ-воздействия по электрофизическим параметрам работы электротермического оборудования (анодный ток, напряжение на рабочем конденсаторе), времени ВЧ-обработки и расчетно-справочной температуре плавления полимера.
Литературный обзор показывает, что все эти методы основаны на примерном расчете температуры плавления, в зависимости от времени и мощности воздействия излучения. Поэтому организация процесса разогрева, а соответственно и управление мощностью электротермического воздействия, организовано на прогнозируемой температуре, определяемой по параметрам работы ВЧ-генератора. При этом авторами вводится большое количество допущений, касающихся однородности структуры обрабатываемого материала, постоянства электрофизических параметров полимеров в процессе разогрева и др. Тем самым практическая значимость данных разработок определена узкими рамками лабораторных условий [4].
В работе [4], согласно зависимости (1, 2), автор доказал и экспериментально подтвердил, что изменение фазового состояния обрабатываемого материала можно проследить по динамике изменения фактора диэлектрических потерь е" = / (т).
4т/808"(Т )ЕираЬ
I =-
(1) (2)
yd
h = k-(в" (Г)), где k = const.
Отсюда, в соответствии с зависимостью 2, контроль фазового состояния полимерного материала в процессе ВЧ-обработки можно осуществлять по единственному параметру работы высокочастотного оборудования - анодному току .
Остается неоднозначным соответствие фазовых превращений в полимерных материалах динамике коэффициента диэлектрических потерь. В работе [5] автор утверждает, что фазовый переход первого рода (состояние плавления) соответствует второму температурному максимуму фактора диэлектрических потерь, а в работе [4] состояние плавления полимера определено в первом температурном минимуме. Следовательно, для корректного контроля фазовых превращений в полимерных материалах в процессе нагрева одного показателя Ia (анодного тока) не достаточно.
В связи с этим в рамках настоящих исследований, для контроля термической обработки полимеров, были применены амперометрический и термомеханический (на основе прибора Фишера -Джонса) способы, что дало возможность обеспечения объективного определения момента достижения образцом температуры плавления и сопоставления её с динамикой изменяющегося в процессе нагрева коэффициента диэлектрических потерь.
Исходя из вышеизложенного, в качестве контролируемых параметров были выбраны анодный ток (/а) и тепловое расширение.
Данное комплексирование методов позволило значительно упростить способы контроля, используя при этом уже готовые методики расчета результатов, что обеспечило высокую сходимость расчетных и практических данных.
Разработка методики определения
структурных превращений в полимерах
Для решения задачи определения структурных превращений в полимерных материалах была разработана методика исследований, заключающаяся в линейном разогреве полимерного образца контактным способом с постоянным контролем
Машиностроение и машиноведение
теплового расширения и периодической подачей на него ВЧ-энергии с целью определения динамики коэффициента диэлектрических потерь.
Реализация разработанной методики была осуществлена на автоматизированной экспериментальной установке. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.
Принцип работы данной установки заключается в следующем. Образец из полимерного материала 1 помещается между электродами 2 плоскопараллельного рабочего конденсатора, подключенного к ВЧ-генератору 3. Нижний электрод в совокупности является электрическим нагревательным элементом 5, обеспечивающим линейный нагрев образца до необходимой температуры с заданной скоростью. В приспособлении 4 имеется отверстие, заполненное термопроводящей пастой с термопарой 6 для контроля поверхностной температуры исследуемого образца. Анодный ток 1а
на рабочем конденсаторе измеряется автоматически после включения ВЧ-генератора с помощью датчика тока (амперметра) 7-1. Температура образца контролируется непрерывно с помощью термопары 6-1, выходные сигналы от которой, так же как и с датчика тока, поступают на вход вычислительного блока 8, в качестве которого используется микроконтроллер, связанный с персональным компьютером через СОМ-порт. Для объективного контроля момента достижения образцом температуры плавления к механизму верхней подвижной плиты рабочего конденсатора был присоединён разработанный в рамках настоящего
исследования датчик теплового расширения 9-1, работающий по принципу эффекта Холла. Выходные сигналы с датчика теплового расширения также поступают в вычислительный блок 8.
Данная установка и разработанная методика позволили уверенно контролировать и идентифицировать динамику коэффициента диэлектрических потерь по показателям анодного тока и линейного теплового расширения.
Определение способа линейного (равномерного) разогрева полимерного образца
Одна из подзадач при разработке методики определения структурных превращений в полимерах заключалась в организации линейного разогрева образца.
Наиболее простой закон регулирования температуры - позиционный. При этом методе на нагреватель подается полная мощность до достижения заданного значения температуры, после чего подача мощности прекращается. Несмотря на это, разогретый нагреватель продолжает отдавать тепло, и температура объекта какое-то время продолжает нарастать, что приводит к перегреву, иногда значительному. При последующем остывании объекта, по достижении заданного значения температуры, на нагреватель вновь подается полная мощность. Нагреватель сначала разогревает себя, затем окружающие области объекта, и, таким образом, охлаждение будет продолжаться до тех пор, пока волна тепла не достигнет датчика температуры. Следовательно, реальная температура может оказаться значительно ниже заданного значения.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - обрабатываемый образец; 2 - электроды рабочего конденсатора; 3 - ВЧ-генератор; 4 - приспособление для нагрева образца; 5 - электронагревательный элемент; 6 - термопара; 6-1 - термопара-термометр; 7 - защитный экран; 7-1 - амперметр (линейный датчик с выходом по напряжению); 8 - вычислительный блок; 9-1 - микрометр
(фиксирует тепловое расширение образца)
Таким образом, при позиционном законе регулирования возможны значительные колебания температуры около заданного значения [11].
Этот недостаток можно уменьшить или даже вовсе устранить, применяя пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования (ПИД-закон). ПИД предполагает уменьшение мощности, подаваемой на нагреватель, по мере приближения температуры объекта к заданной температуре. Кроме того, в установившемся режиме регулирования по ПИД-закону находится величина тепловой мощности, необходимой для компенсации тепловых потерь и поддержания заданной температуры [11]. Поэтому в качестве поддержания линейного разогрева полимерного образца был выбран ПИД-метод. При этом мощность N которая должна выделяться нагревателем, выраженная в процентах от его максимальной мощности, рассчитывалась по формуле (3)
* = 1000 (ДГ + ± Г АШ - KddT)
к„ к J ddt
(3)
где Кр, К1, Ка - пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты регулирования соответственно (ПИД коэффициенты).
Процесс настройки ПИД-регулятора состоял из задания уставки и значений указанных выше трёх коэффициентов. Поиск коэффициентов осуществлялся эмпирически.
Апробация разработанной методики
и анализ результатов
По разработанной методике на ВЧ-оборудовании модели УЗП 2500 были проведены исследования электрофизических параметров таких материалов, как: поливинилхлорид ОМБ-60, полиамид ПА6, стеклонаполненный полиамид (армамид ПА СВ 30-1 ЭТМ).
Размеры образцов подбирались согласно условию максимальной эффективности обработки на высокочастотной установке модели УЗП 2500, что соответствует площади образца в 125 см2. Натурные испытания не были ограничены размерами, соответствующими максимальной мощности ВЧ-генератора, и дополнительно был проведён ряд экспериментов с образцами других размеров.
Полученные экспериментальные данные позволили построить зависимости теплового расширения от температуры А1=/(Т). Данные зависимости представлены на рис. 3-5. Анализ данных теплового расширения и анодного тока показал, что изменение фазового состояния (начало плавления) соответствует первому минимуму значений анодного тока, как и утверждалось в работе [4].
с
,5
о <i,
Э < >--------- j i Ч) 1 О 1Í Л 2 0 2 Ю
-Q.02
-404-
\
\
-Ü0S- \
-Ü1 -412-
Температура Т, 5С а
у
/
/ / ^ ^ /У 1 1 \ 1 1
г ~~ / / 1 1 ' Í 1 \
1 1 1 г
1 1
0.25 г ■ ОРУА
Темпер ат^р а Т,~~С
-Ia=f(Tj--dFa=f(dTj
6
Рис. 3. Зависимости: а - Al =f(T), б - Ia =f(T) и día =f(dT) (материал: ПВХ ОМБ-60)
^0,35
I
0,27 S
0,274
0,272
<
ÚJ.I
О н 0,26S
55 ОДбб
&
0764
<
0,262
0Д6
ОД53
0Д36
[ 1
/
/
/
О 3 О О т Ю 1 гмпера! О ±. утра Г, a О 1 С J0 2 LO 24
/
i v
>V
i » i ¡
! \ к
/ V 1
1
1 w — —
Т |ИЛ
0 3 0 0 1 0 1S0 2 0 24
0,0003 ^
0,0002 ь 1
о -=н й
Температура Т, °С
-1а=Д1) - - <Ba=j¡(clI)
6
Рис. 4. Зависимости: а - Al = f(T), б - Ia = f(T) и día = f(dT) (материал: армамид)
Машиностроение и машиноведение
Рис. 5. Зависимости: а - Л =Д(Т), б - 1а =Д(Т) и dIa =Д^Т) (материал: полиамид ПА6)
Состояние первого максимума анодного тока было идентифицировано как момент начала сегментальной подвижности полярных групп.
Также в рамках настоящего исследования впервые были определены зависимости скорости изменения анодного тока от температуры й!а = /{йТ), представленные на рис. 3-5. Производные определялись методом левой конечной разности первого порядка аппроксимации по формуле (4):
йГ,
dT
Iam - Iam-1
T - T
m m-1
(4)
Дифференцирование позволило организовать контроль соответствия текущего значения I а экстремумам в виде контроля достижения
й!
_я. нулевого значения.
йТ
Анализ скорости изменения анодного тока также обнаружил ряд экстремумов. На данном этапе исследования тяжело судить о том, какие структурные изменения происходят в момент теплового перехода, соответствующего экстремумам скорости изменения анодного тока. Предполагаем, что данные переходы относятся к релаксационным
переходам, а именно переход из кристаллического состояния в стеклообразное и из стеклообразного в высокоэластичное требует проведения дополнительных исследований.
Выводы
На основе проведенных исследований были получены следующие результаты:
1. Впервые в рамках настоящих исследований был применен метод комплексирова-ния на основе амперометрического и термомеханического способов, который позволил осуществлять контроль фазовых превращений в полимерных материалах в процессе нагрева.
2. Был сформирован комплекс контролируемых и управляемых параметров фазовых состояний полимерных материалов и критерии их оценки.
3. Были определены зависимости электрофизических параметров технологической системы и фазовых превращений в полимерных образцах различных геометрических форм и размеров.
Разработанная методика определения структурных превращений в полимерах позволяет создать технические и технологические решения организации процесса управления термообработкой изделий из пластических и композиционных материалов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Еренков О.Ю. К вопросу о регулировании надмолекулярной структуры полимерных материалов путём термообработки // Новые материалы и технологии в машиностроении-2011 : материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф. Хабаровск, 2011.
2. Инженерные пластики. Руководство [Электронный ресурс] // Ensinger - URL: http://sibmetal.su/wp-content/uploads/2012/10/CatalogüfPlastics.pdf (Дата обращения 5.09.2015).
3. Битюцкая Е.А. Влияние степени кристалличности на свойства полимеров [Электронный ресурс] URL: http://sciencebsea.bgita.ru/2013/mashin_2013_17/bituck aya_vl.htm (Дата обращения 5.09.2015).
4. Филиппенко Н.Г. Автоматизация управления процессом высокочастотной обработки полимерных материалов : дис. ... кан. тех. наук. Иркутск, 2012. 161 с.
5. Румынский С.Н. Автоматизированная система управления процессом сварки изделий из полиамида : дис. ... кан. тех. наук. СПб., 2005. 133 с.
6. Попов С.И. Автоматизация управления технологическими процессами восстановления эксплуатационных свойств полимеров : дис. ... кан. тех. наук. Иркутск, 2013. 150 с.
7. Ларченко А.Г. Система автоматизированного управления высокочастотным диагностированием при
9.
производстве и эксплуатации изделий из полимерных материалов : дис. ... кан. тех. наук. Иркутск, 2014. 164 с.
Трофимов Н.В. Управление режимом высокочастотной сварки изделий из пластмасс сложной формы : дис. ... кан. тех. наук. СПб., 2011. 113 с. Марков А.В. Математическая модель высокочастотной сварки термопластов // Математические методы в технике и технологиях : материалы XIX Между-нар. науч. конф. ММТТ-19. Т. 5. Воронеж, 2006. С. 87-89.
10. Марков А.В. Многофункциональный контроль параметров технологического процесса в электротермической установке высокочастотного диэлектрического нагрева // Электротехника. 2007. № 7. С. 6064.
11. ПИД-закон регулирования. Методы нахождения ПИД коэффициентов [Электронный ресурс] // Тер-модат : сайт. URL: http://www.termodat. ru/pdf/pid.pdf. (Дата обращения 25.09.2015).
