УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТНЫХ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Эта заявка является выделенной из заявки №2009129487/02(041048) от 31.07.2009
Полезная модель относится к устройствам для получения нанокомпозитных металлополимерных изделий в виде пластин, лент, проволок, многослойных труб, профилей, используемых в качестве плоских и профильных конструктивных композитных изделий, многослойных труб для транспортировки жидких и газообразных сред.
Задача создания высококачественных и надежных неразъемных соединений металл-полимер напрямую связана с проблемой увеличения адгезионных сил сопрягаемых материалов. Известны способы увеличения адгезии полимеров [1], [2], [3], однако, решающую роль в создании прочного соединения играют качество и степень очистки поверхностей, микроструктура поверхностей металла. Зависимость адгезионных сил от микроструктуры поверхности металла представлена в Таблице 1. [3]
В настоящее время традиционные методы подготовки поверхностей (механические, химические) практически исчерпали свои возможности. Кроме того, существующие промышленного технологии получения металлополимерных соединений в виде лент и труб, представляющие собой непрерывный процесс экструзии полимера на поверхность несформованной или сформованной в трубы или профили металлической фольги, (RU 2088404 C1, В29С 47/04, В29С 47/06, 14.04.2005; RU 2153982 C1, В29С 47/02, 25.03.1999) используют неподготовленную фольгу (п.1. Таблицы 1), механические и химические способы подготовки поверхности фольги не находят применения из-за низкой их эффективности, и прочность соединения металл-полимер ограничивается возможностями существующих адгезивов, примерно 50…70 Н/10 мм. ().
Известны устройства для получения неразъемных соединений металл-полимер в виде пластин, лент (RU 2290314 C1, В32В 15/08, В29С 65/44, В29С 65/48, 14.06.2005; RU 2220789 С2, B05D 7/14, 02.03.1999). Известны также устройства для изготовления многослойных металлополимерных труб (RU 2088404 C1, В29С 47/04, В29С 47/06, 14.04.2005; RU 2153982 C1, В29С47/02, 25.03.1999). Эти соединения представляют собой не менее чем трехслойную конструкцию типа металл-адгезив-полимер.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для изготовления металлополимерных изделий , содержащее держатель алюминиевой фольги, формующее устройство, устройство ультразвуковой сварки алюминиевой фольги, экструзионную головку, экструзионную установку, содержащую экструдеры внутреннего и наружного слоев адгезива, экструдеры внутреннего и наружного слоев полимера, ванну охлаждения, тянущую машину, наматывающее или отрезное устройство.
Однако известное устройство не позволяет повысить прочность соединения металл-полимер, поскольку в устройстве отсутствуют какие-либо средства, приспособления, воздействующие на поверхность металлической фольги с целью увеличения адгезии, и практически адгезия ограничивается возможностями существующих адгезивов, примерно 50…70 Н/10 мм. ().
Задачей настоящей полезной модели является увеличение прочности соединения металл-полимер при промышленном производстве металлополимерных пластин, лент, профилей, многослойных металлополимерных труб не менее чем до 100…150 Н/10 мм., тем самым позволяет улучшить физические свойства композитных металлополимерных изделий.
Поставленная задача решается тем, что:
В устройстве для получения нанокомпозитных металлополимерных изделий в виде пластин, лент, проволок, многослойных труб, профилей, используемых в качестве плоских и профильных конструктивных композитных изделий, многослойных труб для транспортировки жидких и газообразных сред, содержащем экструзионную головку, экструдер адгезива и экструдер полимера, формующее устройство, механизм подачи, бобину с заготовкой (металлической фольгой),
- установлена система формирования наноразмерного рельефа на поверхности заготовки воздействием высоковольтного барьерного разряда, включающая источник питания, высоковольтный электрод с диэлектриком и заземленный электрод.
Предлагаемая полезная модель поясняется иллюстрациями, на которых изображены:
на Фиг.1А - вид поверхности алюминия, неэкспонированного в высоковольтном разряде;
на Фиг.1Б - поперечное сечение образца по линии, отмеченной на Фиг.1А;
на Фиг.2. - поверхность алюминия после воздействия различными режимами барьерного разряда;
на Фиг.2А, В - АСМ -сканы после воздействия различными режимами барьерного разряда (АСМ - атомно-силовая микроскопия  _silovaa_mikroskopia_2609.html);
на Фиг.2Б, Г - восстановленная топология поверхности алюминия после воздействия различными режимами барьерного разряда;
на Фиг.2Д - поперечное сечение изучаемого образца по линии, отмеченной на Фиг.2А;
на Фиг.3. - поверхность алюминия после воздействия искрового барьерного разряда;
на Фиг.3А - АСМ -скан после воздействия искрового разряда;
на Фиг.3Б - восстановленная топология поверхности алюминия после воздействия искрового разряда;
на Фиг.3Д - поперечное сечение образца по линии, отмеченной на Фиг.3А.
на Фиг.4 - структурная схема устройства для получения нанокомпозитных металлополимерных изделий;
Анализ топологии поверхности (Фиг.1-3) проводился авторами на атомно-силовом микроскопе компании "NT-MDT" с обработкой в программе NOVA (версия 1.0.26.1397).
Для получения нанокомпозитных металлополимерных изделий в виде пластин, лент, проволок, многослойных труб, профилей, используемых в качестве плоских и профильных конструктивных композитных изделий, многослойных труб для транспортировки жидких и газообразных сред, производят формирование из металлической фольги трубы или профиля, сварку краев фольги, нанесение последовательно на внутреннюю и/или внешнюю поверхность сформованной трубы или профиля слоев адгезива, и затем полимера. Перед нанесением адгезива и полимера на одной или обеих поверхностях металлической фольги формируют наноразмерный рельеф, или нано- и субмикроразмерный рельеф, или нано- и микроразмерный рельеф. Нано-рельеф, или нано-субмикро-рельеф, или нано-микро-рельеф на поверхности металлической фольги формируют путем воздействия высоковольтными разрядами атмосферного давления, представляющими собой, высокочастотные разряды со стримерным пробоем разрядного промежутка.
В зависимости от электротехнической реализации разрядной цепи реализуют режимы или «квази-диффузного» разряда, называемого «тлеющим барьерным разрядом при атмосферном давлении» - OAUGDP (the one atmosphere uniform glow discharge plasma), или искрового барьерного разряда. [4, 5]
Важной особенностью предлагаемого процесса получения нанокомпозитных изделий является управляемость процесса формирования на поверхности металла наноразмерного или нано- и субмикроразмерного, или нано- и микроразмерного рельефа в широком диапазоне размеров от 5 нанометров до единиц микрометров, что позволяет подбирать режим, обеспечивающий максимальные адгезионные силы для различных материалов соединения металл-полимер. Это достигается:
- Изменением режима высоковольтного атмосферного разряда - переходом от режима диффузионного барьерного разряда - OAUGDP (пример обработанной поверхности показан на Фиг 2А), к режиму искрового разряда (пример обработанной поверхности показан на Фиг 3А), это достигается изменением материала диэлектрика 13 (Фиг4) в разрядном промежутке [6]; в случае диффузного разряда используется ситалл (ε>5), для реализации режима искрового разряда используется барьер из кварца с ε<5.
- Изменением режима работы источника питания 11 (Фиг1): изменения амплитуды высоковольтных импульсов в диапазоне 10…30 кВ, изменением частоты следования импульсов в диапазоне 5…20 кГц, применением амплитудной или широтноимпульсной модуляции (ШИМ).
- Изменением времени экспозиции.
Как показано на Фиг.4, устройство для получения нанокомпозитных металлополимерных изделий содержит экструзионную головку 1, снабженную экструдером адгезива 2 с адгезивом 3 и экструдером полимера 4 с полимером 5, формующее устройство 6, механизм подачи 7, бобину 8 с заготовкой 9 (металлической фольгой), систему формирования наноразмерного рельефа 10 на поверхности заготовки 9, включающую управляемый источник питания 11, высоковольтный электрод 12 с диэлектриком 13 и заземленный электрод 14.
Такое выполнение устройства позволяет увеличить прочность соединения металл-полимер при промышленном производстве металлополимерных пластин, лент, профилей, многослойных металлополимерных труб не менее чем до 100…150 Н/10 мм., тем самым позволяет улучшить физические свойства композитных металлополимерных изделий.
Устройство для получения нанокомпозитных металл ополимерных изделий работает следующим образом:
Заготовка - металлическая фольга 9 поступает в устройство через вращающийся заземленный электрод 14. Высоковольтные импульсы с частотой 5…20 кГц и амплитудой 10…30 кВт поступают из управляемого источника питания 11 на высоковольтный электрод 12. Барьерный или искровой барьерный разряд протекает в зоне между диэлектриком 13 и металлической фольгой 9, на поверхности которой, в зависимости от режимов разряда формируется наноразмерный рельеф или нано- и субмикроразмерный рельеф, или нано- и микроразмерный рельеф. Затем металлическая фольга 9 с модифицированной поверхностью поступает в формующее устройство 6, где металлическая фольга 9 в зависимости от типа металлополимерного изделия формируется в ленту или в трубу, или в профиль. Затем сформированная лента, или труба, или профиль поступает в экструзионную головку 1, где экструдером адгезива 2 и экструдером полимера 4 на сформированную модифицированную поверхность металлической фольги 9 последовательно наносят слои адгезива 3 и полимера 5, образуя тем самым нанокомпозитное металлополимерное изделие.
Предложенное устройство является промышленно применимым с помощью существующих технических средств. (Планируется начать мелкосерийное производство в 4 кв. 2009 г.)
Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящей полезной модели возможны разнообразные модификации и изменения. Соответственно, предполагается, что настоящая полезная модель охватывает указанные модификации и изменения, а также их эквиваленты без отступления от сущности и объема полезной модели, раскрытого в прилагаемой формуле полезной модели.
Литература:
1) Roth J.R. et al Method and apparatus for glow discharge plasma treatment of polymer materials at atmospheric pressure, 1995, US patent 5,403, 453
2) Roth J.R. et al Method and apparatus for glow discharge plasma treatment of polymer materials at atmospheric pressure, 1995, US patent 5,456, 972
3) ПОЦИУС A.B. Клеи, адгезия, технология склеивания. - С-Петербург: «Профессия», 2007, с.172-173
4) Ben Gardi R, Roth J.R. et al Sterilization and plasma processing of room temperaure surfaces with a one atmosphere uniform glow discharge plasma (OAUGDP) Surf.Coatings Technol. 2000, 131, 528-42
5) Carr A.K. Increase in the surface energy of metal and polymeric surfaces using the one atmospere uniform glow discharge plasma MS in EE Thesis University of Tennesse, 1997
6) Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. - М: Издательство МГУ, 1989. ISBN 5-211-00415-9