Влияние свч электромагнитного поля на физико-механические свойства эпоксидного компаунда

На правах рукописи

ЛАВРЕНТЬЕВ Владимир Александрович

ВЛИЯНИЕ СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ЭПОКСИДНОГО КОМПАУНДА

Специальность 05.09.10. – Электротехнология

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования

"Саратовский государственный технический университет"

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Калганова Светлана Геннадьевна

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Конюшков Геннадий Владимирович

Кандидат технических наук, доцент Семенов Владимир Константинович

Ведущая организация - ФГУП НПП «Алмаз»

Защита состоится «23» апреля 2009 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 2 (ФЭТиП), ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научно-технической библиотеки Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан «20» марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ю.Б. Томашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Объем мирового производства и потребления всех видов полимерных материалов неуклонно возрастает. Среди множества полимерных конструкционных материалов важное место занимают эпоксидные смолы благодаря ценному комплексу присущих им свойств и универсальности применения в составе различного рода литьевых и пресс материалов, стеклопластиков, компаундов, клеев, лакокрасочных покрытий, а также в качестве конструкционных материалов для деталей машин, приборов и механизмов.

В условиях новых экономических отношений особую актуальность приобретает возможность быстрого реагирования на запросы рынка, что может быть достигнуто путем модифицирования свойств полимерных материалов, использованием новых технологических приемов для придания им требуемых качественных характеристик, а также созданием новых технологий, отвечающих технологическим, экономическим и экологическим требованиям современности.

В настоящее время для интенсификации процессов переработки и улучшения эксплуатационных свойств полимерных материалов широко используются электрофизические поля, в том числе упругие колебания звукового и ультразвукового диапазона частот, виброобработка, токи высокой частоты, лазерное и ультрафиолетовое излучения.

Необходимость в альтернативных технологиях модификации полимеров связана, в некоторых случаях, с многостадийностью традиционных процессов, высокими энерго- и трудовыми затратами, экологической напряженностью производства. Интенсивные исследования по применению электрофизических методов обработки материалов и изделий показали эффективность использования для этой цели энергии сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных колебаний.

Значительные успехи в исследовании и разработке технологических процессов СВЧ обработки материалов достигнуты благодаря работам А.В. Нетушила, И.И. Девяткина, Ю.С. Архангельского, В.А Коломейцева, И.А. Рогова, В.В. Игнатова, С.В. Некрутмана и др.

Однако исследования о влиянии СВЧ электромагнитного поля (СВЧ ЭМП) на процесс отверждения эпоксидных компаундов (ЭК) и модификацию их свойств не проводились. Поэтому разработка технологического процесса модификации ЭК при воздействии СВЧ ЭМП на базе исследований процесса СВЧ отверждения и установления влияния основных технологических параметров СВЧ обработки на свойства ЭК являются весьма актуальной научно-технической задачей.

Цель работы заключается в улучшении эксплуатационных свойств изделий и конструкций с эпоксидным компаундом на основе оптимизации технологических режимов его отверждения в СВЧ ЭМП, обеспечивающей повышение прочности и теплостойкости ЭК, и разработка методик расчета нового СВЧ электротехнологического оборудования для модификации ЭК.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать гипотезу о модифицирующем влиянии СВЧ ЭМК на процесс отверждения ЭК;
• разработать методику исследования влияния СВЧ ЭМП на процесс отверждения ЭК;
• исследовать влияние основных технологических параметров СВЧ воздействия на кинетику отверждения, структуру, физико-механические свойства ЭК;
• провести оптимизацию технологических режимов СВЧ воздействия на ЭК с целью достижения максимальных значений эксплуатационных свойств;
• разработать конструкции СВЧ установок для модификации ЭК и провести расчёт рабочей камеры СВЧ установки модифицирующего воздействия;
• разработать технологические рекомендации высокоинтенсивного процесса отверждения ЭК в СВЧ ЭМП при производстве силовых трансформаторов с повышенной прочностью и теплостойкостью литой изоляции обмоток.

Методы и средства исследований. При выполнении работы использованы научные основы электродинамики, СВЧ диэлектрического нагрева и основ конструирования СВЧ установок. Экспериментальные исследования проводились на конвейерной СВЧ установке с регулировкой уровня генерируемой мощности и продолжительности процесса обработки, предназначенной для научных исследований. Результаты экспериментальных исследований обработаны с применением методов математического планирования и регрессионного анализа. Оптимизация режимов СВЧ отверждения ЭК проводилась с применением симплекс-метода. Физико-механические свойства определялись по стандартным методикам: предел прочности на растяжение на универсальной автоматизированной испытательной машине (ИР 5046), теплостойкость на приборе Вика. Для исследования влияния СВЧ ЭМК на структуру отвержденного ЭК применялся метод ИК-спектроскопии в области 450-1400 нм. Оптическое пропускание ЭК измерялось на двухлучевом оптическом спектроанализаторе, собранном на базе монохроматора МДР-23.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Воздействие СВЧ электромагнитного поля на процесс отверждения ЭК при уровнях генерируемой мощности Рген= 130-700 Вт и времени СВЧ обработки СВЧ =6-12 с может приводить к активации дипольно-групповой поляризации компаунда и, как следствие, к изменению его топологической структуры, характеризующей распределение, размер агломератов и их густоту в структуре отвердевшего ЭК, что обеспечивает повышение его прочности в 3-4 раза, теплостойкости в 1,4-1,6 раза и ускорение процесса отверждения в 5-6 раз по сравнению с ЭК, отвержденным на воздухе в естественных условиях.
2. Математические модели, учитывающие влияние технологических режимов СВЧ обработки (мощность Рген и время СВЧ обработки СВЧ ), на параметры оптимизации (предел прочности на разрыв и теплостойкость) адекватно описывают процесс отверждения ЭК в СВЧ ЭМП, позволяют исследовать влияние на фазовые переходы в полимерах при воздействии СВЧ электромагнитных колебаний.
3. Рабочие режимы камер лучевого типа и камер с бегущей волной определяются предложенными методиками расчета, учитывающими значения напряженности электрического поля Е электромагнитной волны, при которой достигается модифицирующий эффект в процессе СВЧ отверждения эпоксидного компаунда.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлено модифицирующее влияние СВЧ электромагнитного поля на процесс отверждения ЭК, которое приводит к активации дипольно-групповой поляризации компаунда и изменению его топологической структуры, что обеспечивает повышение прочности ЭК в 3-4 раза, теплостойкости в 1,4-1,6 раза и ускорение процесса его отверждения в 5-6 раз, по сравнению с ЭК, отвержденным на воздухе в естественных условиях.
2. Впервые определены оптимальные параметры технологического процесса отверждения эпоксидного компаунда в СВЧ ЭМП (Рген= 560 Вт, СВЧ = 9,9 с, объемное соотношение смолы и отвердителя в компаунде А=Vсм/Vотв= 12,4), позволяющие получать эпоксидный компаунд с пределом прочности на разрыв 41,2МПа, теплостойкостью 80,3 0С, при ускорении процесса отверждения в 5-6 раз.
3. Получены эмпирические зависимости, адекватно описывающие процесс отверждения ЭК в диапазоне изменения параметров СВЧ воздействия Рген= 130-700 Вт, СВЧ =6-12 с, А=Vсм/Vотв =10-14, позволяющие оценить меру влияния факторов на прочность и теплостойкость компаунда.
4. Получена математическая модель, описывающая влияние на фазовые переходы в полимерах различных способов энергоподвода.
5. Предложены конструкции и методики расчета камер лучевого типа и камер с бегущей волной, позволяющие определить рабочие режимы указанных камер с учетом особенностей технологического процесса СВЧ отверждения эпоксидного компаунда.

Практическая значимость результатов работы:

1. Обработка эпоксидного компаунда в СВЧ ЭМП в процессе его отверждения обеспечивает повышение предела прочности на разрыв в 3-4 раза, теплостойкости в 1,4-1,6 раза и ускорение процесса его отверждения в 5-6 раз, по сравнению с ЭК, отвержденным на воздухе в естественных условиях.
2. Разработана и изготовлена специализированная конвейерная СВЧ установка для модифицирующего СВЧ воздействия на диэлектрики, отличающаяся возможностью регулирования уровня генерируемой мощности в диапазоне от 130 Вт до 3000 кВт и продолжительности процесса обработки объекта от 6 с до 100 с в методическом режиме работы установки.
3. Разработаны технологические рекомендации по изготовлению литой изоляции обмоток трансформаторов с применением СВЧ энергии, позволяющие при Рген= 560 Вт, СВЧ = 9,9 с и А=Vсм/Vотв= 12,4 сократить время изготовления обмоток с 2-3 суток до 5 ч, увеличить производительность в 15 раз.
4. Результаты диссертационной работы внедрены на ООО ИТФ «Элмаш-Микро» (г. Саратов) при производстве специализированных конвейерных СВЧ установок.
5. Технология СВЧ отверждения ЭК рекомендована к промышленному внедрению на ЗАО «Завод специальных автомобилей» (г. Энгельс) при производстве композиционных полимерных панелей.
6. Результаты диссертационной работы используются при выполнении курсовых работ, чтении курсов лекций по дисциплинам «СВЧ электротермические установки и системы» для студентов специальности 140605 – «Электротехнологические установки и системы» и «Применение СВЧ энергии в технологических процессах» для магистров направления 140600 – «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». В рамках темы диссертационной работы защищены три дипломных проекта.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 9-й Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003), на Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, СГТУ, 2004), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ-21 (Саратов, СГТУ, 2008), Международной научной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», МКЭЭЭ-2008 (Алушта, 2008), а также на научных семинарах кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» (2003-2008 г.г.) и ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (2003-2005 г.г).

Работа выполнена в рамках плана научной ведущей школы России по Гранту Президента РФ для государственной поддержки ведущих школ РФ № НШ-9553.2006.8 (СГТУ № 160) и внутривузовского основного научного направления 05.В. «Научные основы проектирования, исследование параметров и режимов электронных, электрорадиотехнологических установок, систем и технологий».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах, из них 3 работы в журналах из перечня ВАК РФ. Новизна конструктивных решений подтверждена положительным решением по заявке на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 4 приложений и списка использованной литературы. Работа изложена на 174 страницах, содержит 20 таблиц, 52 рисунка. Список использованной литературы включает 164 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна работы, область практических приложений теоретических результатов, полученных в диссертации, их практическая значимость.

Первая глава посвящена аналитическому обзору литературы по проблеме модификации полимерных материалов. Выявлены особенности воздействия СВЧ электромагнитного поля на диэлектрические среды. Рассмотрены методы и области применения диэлектрического нагрева и обработки диэлектрических материалов, в том числе полимеров, в СВЧ ЭМП с целью интенсификации процесса обработки и модификации их технологических свойств.

Аналитический обзор литературных данных по рассматриваемой теме позволил выявить проблемы модификации эпоксидного компаунда с помощью энергии СВЧ, обозначить вопросы, требующие дальнейшего изучения.

Во второй главе, для проведения комплексных исследований, представлена нами разработанная и изготовленная на базе ООО ИТФ «Элмаш-Микро» (г. Саратов) конвейерная СВЧ установка для научных исследований с регулировкой уровня генерируемой мощности и продолжительности процесса обработки (рис. 1).

Освещены ход и результаты её калибровки, которые позволили в процессе выполнения экспериментальных исследований оценить величину поглощённой объектом мощности.

Достоинством СВЧ установки для научных исследований являются:

• возможность работы с научно обоснованными минимальными объемами объекта (среды);
• реализация широкого спектра условий исследований для объектов (твердых, жидких, вязких) с разными диэлектрическими свойствами в зависимости от температуры и влажности;
• контроль необходимых параметров процесса СВЧ воздействия;
• методическое обеспечение установки, позволяющее исследователю выполнять работы, необходимые для полного исследования свойств обрабатываемого в СВЧ поле объекта.

а б

Рис. 1. Конвейерная СВЧ установка для научных исследований: а – общий вид; б – структурная блок-схема, где 1 – источник СВЧ энергии; 2 – ферритовый вентиль; 3 – аттенюатор; 4 – измерители падающей и отражённой мощности; 5 – СВЧ рабочая камера на прямоугольном волноводе с конвейерной лентой; 6 – калориметрическая балластная нагрузка; 7 – пульт управления; 8 – электрический привод конвейера

Разработана методика исследования воздействия СВЧ ЭМП на процесс отверждения ЭК на СВЧ установке.

Получены линейно приближенные уравнения регрессии, характеризующие степень влияния выбранных факторов: СВЧ мощности, (X1) времени СВЧ воздействия (X2) и объемного соотношения смолы и отвердителя в компаунде (X3) на параметры оптимизации: предел прочности при испытании на растяжение В, МПа (Y 1) и теплостойкость по способу Вика В, 0С (Y 2) с использованием метода планирования эксперимента:

;

.

В ходе проведения интерпретации математических моделей установлено, что наиболее влияющим фактором является СВЧ мощность, а также имеют место не только линейные эффекты факторов, но и их парные взаимодействия.

При оптимизации симплексным методом параметров процесса отверждения эпоксидного компаунда в СВЧ ЭМП определены оптимальные режимы СВЧ обработки ЭК, обеспечивающие наибольшее повышение прочности на разрыв и теплостойкости компаунда.

Установлено, что обработка ЭК в СВЧ ЭМП (рис. 2- 5) повышает предел прочности на разрыв В ЭК в 3-4 раза, теплостойкость В ЭК в 1,4-1,6 раза, твердость HV в 23,5 раза, по сравнению с ЭК, отвержденным на воздухе в естественных условиях, и интенсифицирует процесс отверждения ЭК в десятки раз (в 5-70 раз для разных режимов СВЧ обработки).

Третья глава посвящена исследованию влияния СВЧ электромагнитного поля на структуру ЭК. Исследование проводилось методом ИК-спектроскопии в области 450-1400 нм (рис. 6). Область пропускания 1000-1100 нм представляет особый интерес, так как она характерна для колебаний эпоксидных групп. Установлено, что у образца ЭК, отвержденного в СВЧ ЭМП, даже при малых уровнях мощности порядка 30 Вт (Руд = 1,2 Вт/см3) наблюдается смещение пика пропускания в область меньших волновых чисел на 45 нм по сравнению с образцом ЭК, отвержденным на воздухе. Увеличение интенсивности пика пропускания ЭК свидетельствует о снижении дефектности структуры низкомолекулярной фракции. С увеличением мощности СВЧ воздействия на ЭК снижается относительный коэффициент пропускания , что, по-видимому, связано с увеличением плотности низкомолекулярной области в структуре компаунда, которое приводит к повышению его прочности.

По мнению автора, механизм воздействия СВЧ ЭМП на структуру ЭК заключается в активации дипольно-групповой поляризации компаунда и как результат в изменении его топологической структуры, характеризующей распределение агломератов, их густоту. Снижение дефектности структуры низкомолекулярной фракции и увеличение размеров густосетчатых агломератов в структуре отвердевшего ЭК приводит к повышению его прочности и теплостойкости.

Получена приближенная математическая модель, описывающая фазовые переходы в полимерах при воздействии СВЧ электромагнитных колебаний.

Рассмотрен случай работы СВЧ установки в периодическом режиме при реализации технологического процесса с фазовым переходом без выраженного массопереноса.

Определение времени обработки одной порции ЭК , позволяет решение системы уравнений

, (1)

,

где к – коэффициент теплоотдачи конвекцией (процесс отверждения идет при температурах, при которых теплообмен излучением не играет решающей роли); коэффициент, учитывающий теплоту фазового перехода; Sк – поверхность объекта, с которого идет конвекция; V объем одной порции объекта, в котором реализуется фазовый переход; с, – удельная теплоемкость и плотность объекта; r – коэффициент, учитывающий затраты энергии на реализацию фазового перехода; m – масса отверждаемого объекта; Р – мощность, поглощенная от внешнего источника; – температурный параметр объекта.

Экспериментально установлено, что ускорение процесса отверждения возможно при малых уровнях мощности Р, когда температура ЭК в результате СВЧ воздействия повышается незначительно, тогда 0 и расчет и m производится по (2) и (3).

(2)