CC BY
55
ТЕХНИЧЕСКИЙ СЕРВИС В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ
УДК 678.026.3
А.А. Гаджиев, доктор техн. наук, профессор А.С. Кононенко, кандидат техн. наук, доцент
ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
ТЕРМОРАДИАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ
При производстве и ремонте машин в последнее время в качестве покрытия деталей большое распространение получают модифицированные термореактивные олигомеры. Они сохраняют прочность, жесткость, технологичность сравнительно низкосортных и дешевых черных металлов, из которых изготавливается покрываемая деталь, а также специфические свойства полимерных материалов (антифрикционные, демпфирующие, антикоррозийные, фреттинго-коррозионностойкие и др.), которыми покрывают поверхность заготовок. В зависимости от конструктивных особенностей детали, условий ее эксплуатации и характера нагружения производят выбор соответствующего полимерного материала для покрытия поверхности детали.
Независимо от состава покрытия полимерного материала и функционального назначения детали или конструкции наиболее характерными недостатками этих покрытий являются: отслоение от металлической поверхности, растрескивание, низкие теплостойкость и ударная вязкость, значительно снижающие долговечность. Один из путей устранения этих недостатков — физическое воздействие на полимерное покрытие в процессе его формирования — обработка в магнитном, ультразвуковом полях, инфракрасное и ультрафиолетовое облучение. Наиболее чувствительным к внешним прояв-
лениям при воздействии силовых полей и облучении является начальный период формирования покрытия (приготовление композиции, ее нанесение и начало отверждения). Длительность и сложность технологического процесса горячего отверждения полимерных покрытий на корпусных деталях — основная причина сдерживания широкого применения термореактивных олигомеров для поверхностей металлических деталей.
Для сокращения времени отверждения (полимеризации) и улучшения физико-механических свойств покрытий из олигомеров было исследовано влияние на них инфракрасного облучения. Одним из результатов этих исследований стала разработка технологии отверждения полимерных покрытий на основе термореактивных олигомеров терморадиационным облучением с применением высокотемпературных источников — зеркальных ламп накаливания, позволяющих сократить время тепловой обработки и отверждения покрытия в 5...8 раз по сравнению с обычным методом температурно-временного отверждения (рис. 1).
С учетом специфических свойств полимеров для исследования влияния терморадиационной обработки полимерных материалов нами была разработана лабораторная инфракрасная установка с цилиндрическим экраном и отражателем. В качестве
Воздух от вентилятора
Рис. 1. Схема установки инфракрасного облучения полимерных покрытий:
1 — излучатель; 2 — полированный экран;
3 — подвеска для облучаемых деталей;
4 — облучаемые детали; 5 — отражатель
излучателя использовали ламповый генератор инфракрасного облучения низкой энергии при температуре до 573 К.
Установка состоит из излучателя 1 на 250 Вт, цилиндрического полировочного экрана 2, подвески для облучаемых полимерных изделий и изделий с полимерным покрытием 3 и полировочного алюминиевого параболического отражателя 5. Работает установка по следующей схеме: против гильзы цилиндров двигателя КамАЗ, выполняющей роль экрана, устанавливают генератор инфракрасного излучения мощностью 250 или 500 Вт. С зазором между стенкой цилиндра и боковой поверхностью лампового генератора 5 = 1.. .1,5 мм. Напротив другого (противоположного) конца цилиндрического экрана устанавливают полированный алюминиевый параболический отражатель так, чтобы оси отражателя и экрана находились на одном уровне. Между экраном 2 и отражателем 5 подвешивают облучаемое изделие.
В зависимости от конфигурации, размеров детали, толщины покрытия и состава композиции расстояние между излучателем 1 и облучаемой деталью 4 регулируют и тем самым устанавливают соответствующее значение лучистого потока.
Исследование проводили на эпоксидных композициях, эластофицированных герметиком 6-Ф и модифицированных холодноотверждающейся пластмассой АСТ-Т, для покрытий, эксплуатирующихся при высоких динамических нагрузках.
Инфракрасное облучение в период формирования полимерного покрытия позволяет наиболее эффективно использовать энергию лучей с учетом того, что именно в этом состоянии такие лучи распространяются в полимерной смеси и в большей степени проявляются эффекты их поглощения, со-
провождаемые превращением переносимой ими энергии в тепловую. Инфракрасный нагрев неразрывно связан с конвективным, так как всякий источник определенную часть теплоты передает с помощью инфракрасных лучей (радиационная теплопередача) [1, 2], а часть — путем конвекции (рис. 2).
Эффективность комбинированного конвективно-радиационного нагрева зависит от того, насколько нагреваемый полимерный материал поглощает лучистый поток, генерируемый источником теплоты по всем участкам спектра.
Сущность нагрева инфракрасными лучами состоит в том, что в зависимости от свойств нагреваемого вещества подбирается излучатель генерируемой длины волн в инфракрасной части спектра, обеспечивающий минимальное время нагрева тела при нужном качестве. Нагреваемые тела, находящиеся на пути потока инфракрасных лучей, изменяют его, отражая или поглощая часть энергии. Следовательно, соотношение отраженного, поглощенного и пропущенного потока инфракрасных лучей характеризуется соответствующими коэффициентами, зависящими от длины волны и физических свойств облучаемого тела.
Синтетические смолы, к которым относятся термореактивные олигомеры, сравнительно хорошо пропускают инфракрасные лучи длиной волны до 2,5.3 мкм.
1
2
3 4
5
2 3 4 5 6 7
б
Рис. 2. Нагрев полимерного покрытия инфракрасными лучами при отверждении:
а — при конвективной теплопередаче: 1 — поток теплоты от воздуха к покрытию; 2 — направление частиц растворителя; 3 — высохшая корка покрытия; 4 — покрытие; 5 — металлическая поверхность; б — инфракрасными лучами: 1 — излучатель; 2 — поток тепла от излучателя, поглощенный металлом; 3 — поток тепла в слой покрытия от нагретого металла; 4 — направление частиц пластификатора и растворителя; 5 — высохшая пленка; 6 — покрытие; 7 — металлическая поверхность
а
1
Технический сервис в агропромышленном комплексе
Использование инфракрасных ламп для отверждения полимерного покрытия в некоторых случаях не способствует полному выявлению эффекта радиационной теплопередачи, так как не в полной мере учитывает взаимосвязи между оптическими характеристиками инфракрасной лампы и полимерного покрытия. Все отверждаемые покрытия представляют собой смесь полимерной связующей, пластификатора, отвердителя, наполнителя и других ингредиентов, поэтому оптические свойства отвер-ждаемых покрытий определяются соответствующими свойствами компонентов, составляющих композицию.
Процессу отверждения полимерного покрытия инфракрасным облучением предшествует удаление из композиции растворителя и пластификатора, что значительно ускоряет полимеризацию и сокращает ее продолжительность.
Измерение температуры на границе раздела фаз покрытие — металлическая подложка показывает, что при облучении покрытия инфракрасной лампой зафиксированная температура зависит от оттенка покрытия, определяемого видом и количеством наполнителя. Например, при облучении лампой температура покрытия без наполнителя равна 134 °С, а с наполнителем из чугунного порошка — 153 °С. Таким же образом было проверено влияние эластофици-рующего и модифицирующего агентов — оно оказалось значительно меньшим и изменяло температуру поверхности раздела композиция-металлическая подложка (субстрат) на 3.4 °С.
Если покрытие поглотит только часть лучистой энергии, остальная ее часть попадает на подложку — твердую поверхность, которая также обладает определенным коэффициентом отражения и поглощения. Следовательно, эффективность радиационного нагрева полимерного покрытия при его отверждении зависит от оптических свойств составляющих частей и материала этого покрытия.
На рис. 3 показаны результаты облучения инфракрасной лампой пластин толщиной к = 1 мм из алюминия и малоуглеродистой стали, покрытых композицией, включающей чугунный порошок в количестве 120 масс. частей (кривые 1 и 2), и без наполнителя (кривые 3 и 4).
Пластины с наполненным покрытием нагрелись сильнее, чем без наполнителя. Это можно объяснить тем, что покрытие наполненной композиции поглотило большую часть лучистого потока, и пластины нагреваются в основном за счет теплопроводности [3, 4]. Покрытие без наполнения имеет значительный коэффициент отражения и малый коэффициент поглощения, поэтому в данном случае интенсивность нагрева контрольных пластин значительно ниже — она определяется только коэффициентом поглощения. Алюминиевая пластина большую часть потока инфракрасных лучей отра-
t, °С 230
210 _
190
170
150
1
2
3
4
5
6 t, с
Рис. 3. Кривые радиационного нагрева лампой 500 Вт эпоксидных композиций с наполнителем и без него:
1 — алюминиевая подложка, композиция с металлическим наполнителем; 2 — стальная подложка с той же композицией; 3 — сталь с ненаполненной композицией; 4 — алюминий с той же композицией
жает, повышение температуры происходит медленнее. Именно по этой причине процесс полимеризации (отверждения) начинается на границе раздела фаз подложка-покрытие. В начальный период облучения покрытия основная часть тепловой энергии при его отверждении расходуется на испарение растворителя и пластификатора, у которых полоса максимальной прозрачности находится в том же участке спектра, в котором генерируется максимум энергии лампы накаливания.
Такой механизм теплопередачи при инфракрасном облучении в корне отличается от механизма конвективного теплопереноса, в котором нагрев пленки направлен снаружи внутрь, т. е. температурный градиент направлен навстречу градиенту влажности и движению частицы растворителя и пластификатора, замедляя их испарение. Кроме того, образование поверхностной корочки также препятствует высыханию внутренних слоев.
Облучение поверхности полимерного покрытия инфракрасной лампой накаливания, которая генерирует максимум энергии на волнах, проходящих сквозь слой покрытия почти без потерь, изменяет распределение температур. Покрытие нагревается только за счет теплоты, отдаваемой «подложкой», следовательно, температурный градиент направлен в том же направлении, что и градиент влажности, что способствует быстрому удалению растворителя и пластификатора. После удаления растворителя и пластификатора из композиции вся освободившаяся энергия лучевого потока перераспределяется, и температурный градиент в этом случае направляется на частицы наполнителя (для наполненных композиций) и на макромолекулы композиции, ускоряя процесс структурообразования. При этом необходимо отметить, что предварительный нагрев частиц наполнителя и кинетических единиц сет-
чаткой структуры полимерной матрицы интенсифицирует процесс взаимодействия частиц наполнителя с полимерной связующей и повышает адгезионную прочность композиции. Такое ступенчатое действие лучистой энергии на полимерное покрытие при инфракрасном облучении его поверхности снижает внутреннее напряжение и повышает предел прочности покрытия.
Радиационное отверждение термореактивных олигомеров улучшает и качество покрытия. Показательной характеристикой плотности и однородности структуры покрытия является его водостойкость, определяемая выдерживанием контрольных образцов в воде.
При испытании покрытий на водостойкость различают только способ отверждения. Установлено, что на поверхности пленки, отвержденной только с конвективной теплопередачей, уже в конце первых суток появилась сплошная мелкая сыпь. На покрытии, отвержденном облучением, только после 8 сут обнаружен один небольшой участок, пораженный сыпью.
Как показало исследование, ускорение процесса отверждения полимерного покрытия при инфракрасном облучении зависит от материала, его цвета и характеристики металлической подложки, типа и количества ингредиентов композиции и толщины покрытия. Светлые покрытия, отражающие часть потока инфракрасных лучей, отверждаются медленнее, чем покрытия темного цвета. Следовательно, введение в покрытие чугунного и железного порошков, графита ускоряет отверждение полимера, а алюминиевая, бронзовая пудра, окись алюминия, карбид кремния и другие светлые порошки замедляют этот процесс. Хотя физико-механические и прочностные свойства композиций остаются более высокими, чем при отверждении с конвективной подачей теплоты.
Воздух почти полностью прозрачная для инфракрасных лучей среда, и при радиационном на-
греве деталей с полимерным покрытием исключает помещение их в закрытые камеры, особенно крупногабаритных корпусных деталей. Если терморадиационную лампу баллонного типа поставить на расстоянии 200.250 мм от поверхности деталей с полимерным покрытием на открытой площадке, через несколько минут температура воздуха между ними поднимается на 10.15 °C, а поверхность покрытия нагреется до 90.95 °C.
Выводы
Таким образом, терморадиационная обработка ускоряет процесс полимеризации (отверждения) покрытий из термореактивных олигомеров в 5.8 раз. Установлено, что покрытия светлых тонов, отражающие часть потока инфракрасных лучей, отверждают-ся медленнее, чем покрытия темного цвета. Поэтому введение в покрытие чугунного и железного порошков, графита ускоряет отверждение полимера, а алюминиевая, бронзовая пудра, окись алюминия и другие светлые порошки замедляют этот процесс.
С помощью лампы радиационного облучения, изменяя расстояние между облучаемой поверхностью и излучателем и интенсивность излучения, можно ускорить процесс отверждения полимерного покрытия на крупногабаритных изделиях.
Список литературы
1. Долгополов, Н.Н. Электрофизические методы в технологии строительных материалов / Н.Н. Долгополов. — М.: Стройиздат, 1994. — 312 с.
2. Евдокимов, Ю.А. Инженерная механика полимеров и применение пластмасс в промышленности / Ю.А. Евдокимов. — Тбилиси: Мецниереба, 1999. — С. 137-145.
3. Жердев, Ю.В. Влияние наполнителя и его поверхностной обработки на отверждение термореактивных полимерных материалов / Ю.В. Жердев. — М.: Информэлек-тро, 1974. — 31 с.
4. Интенсификация ремонта оборудования с применением модифицированных акриловых композиций / А.С. Жи-ляк [и др.]. — Харьков: УкрНИИНТИ, 1970. — 29 с.
УДК 621.892.09+621.357.7
В.В. Сафонов, доктор техн. наук, профессор
B.А. Александров, канд. техн. наук, доцент
C.А. Шишурин, канд. техн. наук, доцент
А.С. Азаров, канд. техн. наук, ст. преподаватель
ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ
ПРИ ТЕХНИЧЕСКОМ СЕРВИСЕ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ
Последнее десятилетие XX века ознаменовалось областей знаний к получению, свойствам и при-повышенным интересом специалистов в об- менению наноматериалов. Это связано с тем, что ласти физики, химии, материаловедения и других у частиц были обнаружены особые физические
62 - Вестник ФГОУ ВПО МГАУ № 3'2009 -
