КАМЕРА ПРОПИТКИ НЕПРЕРЫВНОГО ВОЛОКНА СВЯЗУЮЩИМ

Полезная модель относится к производству изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и предназначена для использования в составе пултрузионных установок.
Известны камеры пропитки непрерывного волокна связующим, представляющие собой открытые ванны, снабженные направляющими и прижимными приспособлениями (валками, роликами, барабанами) и отдельным приспособлением для отжима связующего (RU 36295 U1, RU 87656 U1, RU 129538 U1, RU 2458214 C1, WO 2007025288 A1).
Недостатком указанных известных камер является наличие выброса вредных веществ и отсутствие энергосбережения при работе открытой камеры, а также конструкционная сложность в связи с использованием отдельного приспособления для отжима связующего и прижимных и направляющих валков. Кроме того, в местах контакта отдельных волокон с прижимными приспособлениями наблюдаются перегибы, что приводит к возникновению перенапряжений волокон и их повреждению.
Известны также камеры пропитки непрерывного волокна связующим, представляющие собой ванны, снабженные крышками (RU 152073 U1, RU 148895 U1, RU 94507 U1).
Однако известные камеры также предусматривают наличие отдельного приспособления для отжима связующего и прижимных и направляющих приспособлений, что увеличивает конструкционную сложность оборудования, а также приводит к возникновению перенапряжений и повреждению волокон в местах контакта с указанными приспособлениями.
Кроме того, известна камера пропитки непрерывного волокна связующим, выполненная с внешней цилиндрической поверхностью, имеющая отверстия для входа и выхода волокна и подачи связующего (RU 149054 U1). В цилиндрической боковой стенке камеры выполнены два сквозных отверстия: одно отверстие для входа непрерывного волокна и одно отверстие для его выхода, выполненное в виде фильеры, причем указанные отверстия расположены на одной оси, перпендикулярной оси цилиндра, при этом камера пропитки установлена на выходном отверстии дозатора связующего.
Недостатком известной камеры пропитки является то, что ее конструкция не позволяет осуществить одновременную пропитку нескольких прядей. Невозможность одновременной пропитки нескольких прядей волокна в известной камере определяется не только наличием единственного отверстия для входа непрерывного волокна. При подаче связующего под давлением по направлению, перпендикулярному направлению движения волокна, в случае подачи в камеру нескольких прядей приводит к возникновению контакта волокна с углами на внутренней поверхности камеры (в частности, на входе в формовочное отверстие фильеры и сквозное отверстие камеры для выхода волокна) и возникновению в нем микротрещин. Выполнение внутренней поверхности камеры в виде поверхности неправильного многоугольника обуславливает появление застойных зон внутри камеры, что не обеспечивает одинаковую пропитку всех прядей волокна.
Известны камеры пропитки непрерывного волокна связующим пултрузионных установок, имеющие отверстия для входа и выхода волокна и подачи связующего, выполненные с внутренней поверхностью в виде прямого кругового усеченного конуса (EP 0747204 A2, WO 9003877 A1, US 5073413 A).
Однако выполнение входа волокна в камеру пропитки с диаметром, значительно меньшим диаметра основания усеченного конуса, не позволяет полностью реализовать преимущества выполнения внутренней поверхности камеры в виде прямого кругового усеченного конуса, не обеспечивая на начальном этапе пропитки разделения прядей волокна между собой, что приводит к снижению степени и равномерности пропитки. Кроме того, форма внешней поверхности камеры не способствует максимальному снижению теплопотерь.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является известная камера пропитки непрерывного волокна связующим пултрузионной установки, выполненная с внешней цилиндрической поверхностью и внутренней поверхностью в виде прямого кругового усеченного конуса, снабженная отверстиями для подачи связующего и входа волокна, а также отверстием для выхода пропитанного волокна, выполненным в виде сечения конуса, параллельного его основанию (EP 0542709 A1 - прототип).
Отсутствие отдельных отверстий для входа прядей волокна непосредственно в камере пропитки приводит к их подаче в камеру сжатыми, примыкающими друг к другу, что не обеспечивает равномерную доставку связующего ко всей поверхности отдельных прядей волокна даже при наличии нескольких радиальных отверстий для подачи связующего и дополнительного его ввода в продольном направлении через специальный сердечник. При этом подача связующего в продольном направлении через сердечник увеличивает насыщение конечного продукта связующим не за счет повышения степени и равномерности пропитки отдельных прядей, а, как указано в описании изобретения по EP 0542709 A1, за счет заполнения связующим пустующей середины пучка, образующегося на выходе из камеры пропитки, причем конструкция известной камеры пропитки не предусматривает отжима этого излишка связующего. Заполнение середины пучка «свободным» связующим, как указано в описании изобретения по EP 0542709 A1, приводит к удешевлению целевого продукта - продукта пултрузионной установки за счет разницы в цене между волокном и связующим. Однако при этом явным образом снижается однородность по составу продукта пропитки, которая определяет прочностные характеристики целевого продукта пултрузионной установки - ПКМ, поскольку волокно является армирующим (усиливающим) наполнителем.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание камеры пропитки непрерывного волокна связующим, лишенной указанных недостатков.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении однородности по составу продукта пропитки.
Указанный технический результат достигается тем, что камера пропитки непрерывного волокна связующим, выполненная с внешней цилиндрической поверхностью и внутренней поверхностью в виде прямого кругового усеченного конуса, снабженная отверстиями для подачи связующего и входа волокна, а также отверстием для выхода пропитанного волокна, выполненным в виде сечения конуса, параллельного его основанию, снабжена двумя соосными отверстиями для подачи связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса, ее внутренняя поверхность выполнена в виде прямого кругового усеченного конуса с конусностью 0,01-0,10, в основании которого расположена пластина с отверстиями для входа волокна, а отверстие для выхода пропитанного волокна имеет диаметр, на 0,45-0,50% превышающий заданный диаметр целевого продукта.
Камера пропитки дополнительно может быть снабжена смотровым окном. Дополнительное снабжение предлагаемой камеры пропитки смотровым окном позволяет осуществлять визуальный контроль за уровнем наполнения камеры связующим и процессом пропитки в целом.
2
2
Камера пропитки выполняется из стали. Количество отверстий для входа волокна выбирается в зависимости от заданного его содержания в получаемом ПКМ. Так, при использовании в качестве непрерывного волокна базальтового (с внутренней размоткой) или стеклянного ровинга для изготовления сердечника проводов из полимерных композиционных материалов с расчетной площадью сечения от 3,8 до 51,9 мм требуется, соответственно, от 8 до 64 отверстий для входа волокна в камеру пропитки. Диаметр отверстий для входа и выхода волокна, а также линейные размеры камеры выбираются в зависимости от вида и линейной плотности волокна, заданного его содержания в получаемом ПКМ. Например, для изготовления в качестве целевого продукта сердечника диаметром 5,97 мм с расчетной площадью сечения 27,98 мм, изготавливаемого на пултрузионной установке из базальтового ровинга линейной плотности 600 Текс и полиуретанового связующего, необходимо 34 отверстия для входа волокна диаметром 4 мм и одно отверстие для выхода пропитанного волокна диаметром 6 мм (последний на 0,50% больше диаметра конечного продукта). Выполнение отверстия для выхода пропитанного волокна с диаметром, на 0,45-0,50% превышающим заданный диаметр целевого продукта (продукта пултрузионной установки), обеспечивает отжим излишка связующего и завершает равномерную пропитку прядей волокна. На основе рассчитанного таким образом диаметра отверстия для выхода пропитанного волокна с учетом необходимого количества отверстий для входа волокна и того, что значение конусности внутренней поверхности камеры должно быть выбрано из интервала от 0,01 до 0,10, определяется длина камеры и диаметр пластины, достаточный для равномерного размещения необходимого количества отверстий для входа волокна в камеру пропитки. Под конусностью, в соответствии с ГОСТ «Основные нормы взаимозаменяемости. Нормальные конусности и углы конусов», понимается величина C, рассчитанная по следующей формуле:
C=(D-d)/L, где:
D - диаметр основания конуса,
d - диаметр сечения, параллельного основанию,
L - расстояние между основанием конуса и указанным сечением.
Отверстия для входа волокна могут размещаться на пластине с расстоянием, большим чем расстояние, обусловленное технологическими возможностями используемого для их выполнения инструмента, или равном ему, т.к., как показали эксперименты, при выполнении внутренней поверхности камеры пропитки по предлагаемой полезной модели полная однородность продукта пропитки по составу достигается при любом указанном размещении отверстий.
На Фиг. приведена конструкция предлагаемой камеры пропитки непрерывного волокна. Камера пропитки снабжена двумя соосными отверстиями 1 для подачи связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса, ее внутренняя поверхность выполнена в виде прямого кругового усеченного конуса, в основании которого расположена пластина с отверстиями 2 для входа волокна, а отверстие для выхода пропитанного волокна 3 выполнено в виде сечения усеченного конуса, параллельного его основанию.
Связующее из дозатора подается в камеру пропитки через два соосных отверстия 1 перпендикулярно направлению движения волокна, что при выполнении конструкции камеры согласно предлагаемой полезной модели обеспечивает отсутствие застойных зон внутри камеры и, как следствие - равномерность пропитки волокна, т.е. однородность продукта пропитки по составу. Пряди непрерывного волокна подаются в камеру пропитки через отверстия 2, количество которых соответствует количеству прядей. На выходе волокна из камеры пропитки через отверстие 3 происходит отжим излишка связующего.
Предлагаемая камера пропитки, как и камера-прототип, является закрытой, что исключает выброс вредных веществ, а также способствует энергосбережению. Энергосбережению способствует также выполнение внешней поверхности предлагаемой камеры, как и камеры-прототипа, цилиндрической. Отсутствие в предлагаемой камере пропитки, как и в камере-прототипе, направляющих и прижимных приспособлений упрощает ее конструктивное выполнение и повышает сохранность целостности волокна. Выполнение внутренней поверхности предлагаемой камеры пропитки, как и камеры-прототипа, в виде прямого кругового усеченного конуса, а отверстия для выхода пропитанного волокна - в виде сечения этого конуса, параллельного его основанию, исключает возникновение контактов волокна с углами на внутренней поверхности камеры (в связи с отсутствием таких углов), т.е. возникновение в нем микротрещин.
При этом выполнение камеры пропитки непрерывного волокна связующим по предлагаемой полезной модели обеспечивает повышение, по сравнению с прототипом, однородности по составу продукта пропитки. Величина диаметра отверстия для выхода волокна в сочетании со значениями конусности определяют размеры и форму внутренней поверхности камеры и являются важными параметрами, определяющими кинетику и физико-химические характеристики процесса пропитки волокна связующим. Проведенными экспериментами было подтверждено, что даже при минимально допустимой, согласно предлагаемой полезной модели, конусности внутренней поверхности камеры пропитки при выполнении отверстия для выхода волокна с диаметром, на 0,45-0,50% превышающим заданный диаметр целевого продукта, и любом диаметре пластины, достаточном для размещения отверстий в количестве, соответствующем количеству прядей волокна, обеспечивается равномерная пропитка волокна связующим и однородность продукта пропитки при условии, что пластина с отверстиями для входа волокна является конструктивной частью камеры пропитки и располагается на входе в нее волокна. Последнее обеспечивает, в отличие от прототипа, подачу в камеру пропитки волокна, пряди которого не прижаты друг к другу, а, напротив, отделены друг от друга. Как показали эксперименты, при указанных параметрах камеры пропитки подача связующего через два отверстия, расположенные на оси, перпендикулярной оси конуса, исключает появление застойных зон внутри камеры. Превышение значения конусности, свыше допустимого согласно предлагаемой полезной модели, приводит к недостаточной пропитке прядей волокна в связи с отсутствием необходимого давления, что снижает однородность по составу продукта пропитки. Снижение конусности ниже 0,01 приводит к появлению застойных зон внутри камеры при размещении отверстий для подачи связующего согласно предлагаемой полезной модели, что также снижает равномерность пропитки и, как следствие, однородность продукта пропитки по составу. Выполнение отверстия для выхода волокна, имеющим диаметр, на 0,45-0,50% превышающий заданный диаметр конечного продукта, позволяет повысить однородность продукта пропитки и избавиться от излишка связующего без применения специальных отжимных приспособлений в самой камере пропитки и дополнительных элементов в составе пултрузионной установки. При прохождении сквозь отверстие для выхода на пропитанное волокно оказывается давление, завершающее процесс пропитки волокна в массе и обеспечивающее однородность продукта пропитки по составу, в том числе за счет удаления связующего из середины пучка пропитанных волокон. Выполнение отверстия для выхода пропитанного волокна с диаметром, более чем на 0,50% превышающим диаметр конечного продукта, не создает необходимого давления, что не позволяет не только полностью отжать излишек связующего, но и дополнительно обеспечить однородность продукта пропитки. Выполнение отверстия для выхода пропитанного волокна с диаметром, менее чем на 0,45% превышающим диаметр конечного продукта, затрудняет выход из камеры пропитанного волокна и нарушает его целостность.