Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Перспективы применения полимерных порошковых покрытий в машиностроении 11
1.1. Эффективность применения покрытий на основе полимерных по рошковых композиций 11
1.1.1. Основные типы полимерных порошковых композиций 13
1.1.2. Способы подготовки поверхности для нанесения покрытий 15
1.1.3. Способы нанесения полимерных порошковых покрытий 17
1.1.4. Оборудование для получения порошковых покрытий
1.2. Оптические свойства полимерных материалов 22
1.3. Способы получения световозвращающих покрытий 38
1.4. Заключение 40
ГЛАВА 2. Характеристика объектов и методов исследований 42
2.1.Характеристика объектов исследования 42
2.2. Методика подготовки образцов 44
2.3. Методы исследования 44
2.4. Статистическая обработка экспериментальных данных 50
ГЛАВА 3. Экспериментально-теоретические исследования по оптимизации составов, структуры и свойств наполненных полимерных порошковых покрытий 54
3.1. Структура и оптико-физическая модель наполненных покрытий... 54
3.1.1. Оптические свойства микросферических отражателей 56
3.1.2. Исследование влияния микросферических отражателей на оптические свойства покрытий 3.2. Исследования оптических свойств наполненных покрытий 72
3.3. Исследование физико-химических свойств покрытий 118
3.4. Заключение 119
ГЛАВА 4. Разработка технологического процесса и специализированного оборудования для получе ния наполненных покрытий 121
4.1 Технологический процесс получения полимерных порошковых по крытий электростатическим способом 121
4.2. Разработка комплекса специализированного оборудования 126
4.2.1. Камера нанесения исходных компонентов 126
4.2.2. Блок подготовки воздуха 127
4.2.3. Порошковый питатель 127
4.2.4. Распылительное устройство для нанесения ППК 129
4.2.5. Система рекуперации ППК 131
4.2.6. Распылительное устройство для нанесения микросфер 132
4.2.7. Установка формирования покрытий 134
4.3. Заключение 137
Общие выводы 138
Список использованной литературы
- Способы подготовки поверхности для нанесения покрытий
- Методика подготовки образцов
- Исследование влияния микросферических отражателей на оптические свойства покрытий
- Камера нанесения исходных компонентов
Введение к работе
Актуальность. Дальнейший прогресс в машиностроении неразрывно связан с совершенствованием традиционных, разработкой и внедрением новых материалов, покрытий и технологий, обеспечивающих необходимые технические свойства, а также надежность и долговечность изделий.
В настоящее время доминирующей тенденцией в технологии производства различных видов покрытий во многих отраслях промышленности, в том числе в машиностроении, является разработка новых составов, прогрессивных и высокоэффективных технологий их нанесения. Среди большого разнообразия покрытий особое место по перспективности применения занимают покрытия на основе полимерных порошковых композиций (ППК), которые отвечают современной тенденции развития и представляют технико-экономическую и экологическую альтернативу многим видам покрытий.
В машиностроении ППК применяют для получения антикоррозионных, теплостойких, оптических, защитно-декоративных и других видов покрытий. Использование порошковой технологии позволяет получать высококачественные покрытия, увеличить надежность и долговечность изделий, резко сократить технологический цикл производства, снизить материальные и энергетические затраты, а также исключить загрязнение окружающей среды.
Среди покрытий специального назначения важное место занимают световозвращающие покрытия, которые находят применение во многих отраслях промышленности. В машиностроении они используются в качестве световозвращающих покрытий элементов конструкций специальной техники (кран балок, гидропрессов, мостовых кранов, станочного оборудования), а также дорожных знаков и информационных знаков элементов барьерных ограждений, разделительных полос автомагистралей, автодромов и т.п.
Для получения изделий со световозвращающими покрытиями применяют фольгированные пленки, которые отличаются сложной технологией получения, сравнительно небольшим сроком службы вследствие снижения оптических и других технических свойств в условиях воздействия многочисленных факторов в процессе эксплуатации, а также высокой себестоимостью их производства.
Широкое применение световозвращающих покрытий на основе выпускаемых промышленностью ППК сдерживается из-за отсутствия научно обоснованных данных по выбору исходных компонентов и оптимальных составов, структуры, режимов и способов их получения. Особую актуальность в этой связи приобретают исследования, направленные на разработку новых составов и технологических процессов получения наполненных световозвращающих покрытий с заданным уровнем эксплуатационных свойств.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка рецептурно-технологических параметров получения новых световозвращающих покрытий с заданными эксплуатационными свойствами на основе наполненных полимерных порошковых композиций.
Достижение цели потребовало решения следующих задач:
- изучить комплекс оптических и физико-химических свойств исходных компонентов, как в отдельности, так и при различных их сочетаниях и соотношениях в составе наполненных многослойных световозвращающих покрытий;
- определить оптимальную структуру наполненных покрытий, обеспечивающую требуемые оптические и физико-химические свойства;
- разработать экспериментальные установки для оценки оптических и физико-химических свойств исходных компонентов и наполненных покрытий, а также модель, методику, алгоритм и программу расчета основных оптических характеристик;
- выявить влияние типа и соотношения исходных компонентов, дисперсности, равномерности распределения и глубины погружения наполнителей в виде микросфер, а также режимных параметров нанесения ППК и наполнителей на изменение эксплуатационных свойств покрытий;
- определить оптимальные составы и режимные параметры технологических процессов нанесения порошковых композиций и микросфер, обеспечивающие требуемые оптические и физико-химические свойства наполненных порошковых покрытий;
- разработать научно обоснованные рекомендации по реализации нового технологического процесса и комплекса оборудования для нанесения наполненных покрытий электростатическим методом;
- апробировать в производственных условиях результаты полученных экспериментальных исследований.
Объект исследования: световозвращающие покрытия на основе наполненных полимерных порошковых композиций.
Предмет исследования: наполнители, микросферические отражатели, полимерные порошковые композиции, покрытия, оптические и физико-химические свойства, технология и оборудование.
Методологической основой при решении проблемы материаловедческого и технологического характера является концепция системного подхода, при котором состав, структура и комплекс свойств световозвращающих покрытий представлены в виде взаимосвязанной системы дисперснонаполненных композиционных материалов.
Научная новизна:
- впервые научно обоснована и подтверждена комплексными исследованиями технология получения новых световозвращающих покрытий на основе наполненных полимерных порошковых композиций путем последовательного нанесения и формирования функциональных слоев, обеспечивающих высокие оптические и физико-химические свойства;
- определены закономерности и оптимальные интервалы изменения оптических и физико-химических свойств исходных компонентов, как в отдельности, так и при различных их сочетаниях и соотношениях в составе наполненных покрытий;
- впервые разработаны модель, методика, алгоритм и программа расчета оптических характеристик световозвращающих покрытий, основанные на многократных отражениях лучей в структуре многослойных наполненных покрытий и обеспечивающие требуемые оптические свойства;
- установлены закономерности влияния типа полимерных связующих, количества, дисперсности, равномерности распределения и глубины погружения наполнителей, а также режимных параметров нанесения ППК и наполнителей на изменение эксплуатационных свойств наполненных световозвращающих покрытий.
Практическая значимость:
- разработана новая технология получения световозвращающих покрытий электростатическим способом на основе наполненных полимерных порошковых композиций;
- разработаны экспериментальные установки для оценки оптических и физико-химических свойств исходных компонентов и наполненных покрытий, а также методика и программа расчета их оптических характеристик;
- определены оптимальные составы, структура, режимные параметры технологических процессов нанесения и формирования наполненных покрытий с необходимым уровнем эксплуатационных свойств;
- разработан комплекс нестандартного специализированного оборудования для реализации технологического процесса получения наполненных полимерных порошковых покрытий электростатическим способом.
Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение при нанесении световозвращающих покрытий на изделия различного функционального назначения в ООО «ИТЦ «Лакор», ОАО «Кировский завод «Маяк», ФГУП «ГОССМЭП», ООО «Дорожный знак», ОАО «Строительное управление № 915 по строительству автодорог и аэродромов» (г. Киров), ООО «Спецстальмонтаж» (г. Казань).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Проблемы науки и высшей школы», Санкт-Петербург, 2003г.; «Машиностроение и техносфера ХХI века», Донецк, 2004-2009г.г.; «Инновационные технологии в проектировании, производстве и испытаниях изделий машиностроения», Казань, 2004г.; «Туполевские чтения», Казань, 2007-2011г.г.; «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики», Казань, 2007-2011г.г.; «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», Москва, 2006г.; «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань, 2004-2010г.г.; «Композиционные материалы в промышленности», Киев, 2006-2009г.г.; «Современные техника и технологии», Томск, 2007г.; «Оптика-2007», Москва, 2007г; «Автомобиль и техносфера», Казань, 2008г.; «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы», Казань, 2008г.; «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2008г.; «Полимеры в строительстве», Казань, 2009г.
Реализация работы. Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов и бакалавров по направлению 150600 на кафедре «Материаловедение, сварка и структурообразующие технологии» КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева – КАИ по курсам «Материаловедение», «Новые материалы и технологии», «Технология материалов и покрытий».
Личный вклад автора. Автором самостоятельно поставлены цель и задачи работы, выбраны объекты и методы исследований, получены образцы, проведены экспериментальные исследования и расчеты, совместно с руководителем и соавторами публикаций проанализированы, обсуждены и обобщены основные результаты исследований, проведена практическая реализация работы.
На защиту выносятся:
- рецептуры и структура наполненных порошковых композиций на основе термореактивных связующих, обеспечивающие требуемые оптические и физико-химические свойства световозвращающих покрытий;
- экспериментальные установки для исследования оптических и физико-химических свойств исходных компонентов и наполненных покрытий, а также модель, методика, алгоритм и программа расчета основных оптических характеристик, определяющих их световозвращающие свойства;
- закономерности изменения оптических и физико-химических свойств исходных компонентов, как в отдельности, так и при различных их сочетаниях и соотношениях в составе наполненных покрытий;
- технологический процесс и комплекс специализированного оборудования для получения наполненных световозвращающих порошковых покрытий электростатическим способом.
Достоверность результатов работы подтверждается большим количеством комплексных и воспроизводимых экспериментальных исследований, использованием стандартных и современных методов средств измерений, а также статистической обработкой полученных экспериментальных данных.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 26 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК. Получен патент РФ. Подана заявка на изобретение.
Cтруктура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 125 наименований и приложения. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, включает 4 таблицы и 30 рисунков.
Автор выражает благодарность доценту кафедры оптико-электронных систем КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева Пряхину Ю.А. за участие в исследовании оптических свойств покрытий, разработке модели и программы расчета, анализе полученных результатов.
Способы подготовки поверхности для нанесения покрытий
Оптические свойства полимеров, характеризующие их взаимодействие с электромагнитным излучением (светом), обычно изучаются в широ s ком диапазоне длин волн [26 - 28]. В шкале электромагнитных волн оптической областью принято называть участок спектра, включающий ультрафиолетовое видимое и инфракрасное излучение. Ультрафиолетовая и видимая области охватывают интервалы длин волн 0,01 - 0,38 мкм и 0,38 -0,76 мкм соответственно. Инфракрасная область, более протяженная, с одной стороны граничит с видимой областью, а с другой - перекрывается с субмиллиметровым диапазоном радиоволн. Инфракрасную область подразделяют на ближнюю (0,76 - 2,5 мкм; 13000 - 4000 см"1), среднюю (2,5 -25 мкм; 4000 - 400 см"1) и дальшою (25 - 1000 мкм; 400 - 10 см"1). Границы интервалов условны, особенно для дальней области. В соответствии с ре комендациями UP AG дальняя область ограничивается интервалом 200 - 10 см 1. Излучение в оптическом диапазоне длин волн обычно для краткости называют светом, хотя первоначально этот термин относился только к видимой области [29].
Длину волны света в ультрафиолетовой и видимой области часто выражают в нанометрах. Для инфракрасной области более употребительной единицей является микрометр. Говоря о длине волны как о спектральной характеристике света, всегда имеют в виду длину волны в вакууме ко. Положение спектральных линии (или полос) в спектре определяют величиной, обратной длине волны, и называемой волновым числом :
Волновые числа измеряют в обратных сантиметрах, т.е. выражают числом длин волн (в пустоте), укладывающихся в 1 см. Частота волны v отличается от волнового числа только множителем с, равным скорости света в вакууме (с 3 -1010 см/с):
Электромагнитное излучение через полимер может проходить (пропускание), отражаться, поглощаться, преломляться и рассеиваться в нем. В реальных условиях имеет место сочетание этих явлений [30 - 35].
Коэффициент пропускания г характеризует отношение потока излучения, пропущенного телом, к потоку излучения, упавшему на него. Коэффициент пропускания полимеров при разных частотах электромагнитного излучения имеет разные значения. Например, в видимом диапазоне спектра для ряда полимеров он может достигать 90 - 95%. В ультрафиолетовом диапазоне т органических полимеров больше, чем у неорганических стекол.
Большое значение при этом имеет физическое состояние, в котором находится полимер, а также температура. При низких температурах коэф фициент пропускания полимеров, находящихся в стеклообразном (аморфном) состоянии, выше, чем кристаллических, что обусловлено наличием у кристаллических полимеров мутности, свидетельствующей о структурной неоднородности. У полимеров в высокоэластическом и вязкотекучем (расплавленном) состоянии коэффициент пропускания значительно меньше, чем при низких температурах.
От поверхности полимера происходит отражение электромагнитного излучения. Хорошими отражателями являются многослойные полимерные покрытия с металлизированной задней поверхностью.
Преломление света на границе сред разной оптической плотности характеризуют показателем преломления п - величиной, равной отношению скорости света в вакууме к скорости света в веществе:
Очевидно, что для вакуума п = 1. Обычно можно считать, что п = 1 и для воздуха (при нормальных условиях в видимой области спектра для воздуха п = 1,0003). Для большинства прозрачных в видимой области полимерных материалов п 1,5.
Значение показателя преломления зависит от частоты" падающего света, т. е. для него характерна дисперсия, которая для полимеров может быть либо нормальной (при увеличении частоты электромагнитного поля значение п возрастает), либо аномальной (при увеличении частоты значение п убывает).
Часть электромагнитного излучения, проходящего через вещество, расходуется на возбуждение атомов и молекул, т.е. происходит поглощение излучения. Так, например, интенсивность / света, проходящего через вещество, ослабляется согласно закону Ламберта [36]: / = /0ехр(- 7), где IQ И / - соответственно интенсивности света, входящего в вещество и прошедшего слой вещества толщиной /; к — линейный показатель поглощения. Изучение и исследование оптических свойств покрытий на основе полимерных порошковых композиций основывается на теоретических представлениях взаимодействия светового потока с поверхностью.
При достижении светом границы раздела двух сред с различными оптическими свойствами, он частично проходит во вторую среду, изменяя направление в случае наклонного падения и, частично, возвращается в первую среду. Направление отраженного и преломленного света описывается хорошо известными законами геометрической оптики [37 - 41]. Однако эти законы не учитывают явления поляризации и интенсивности отраженного и преломленного света.
Появление преломленной и отраженной волн на границе раздела сред обусловлено теми же физическими причинами, что и изменение фазовой скорости волны при ее распространении в среде по сравнению со скоростью света в вакууме: электрическое поле падающей волны раскачивает входящие в состав вещества заряженные частицы, которые становятся источниками вторичных волн. Задача нахождения отраженной и преломленной волн, возникающих в результате сложения этих когерентных вторичных волн, может быть решена в рамках макроскопической электродинамики, то есть с помощью известных уравнений Максвелла и феноменологических материальных уравнений, в которых среды рассматриваются как сплошные, а их оптические свойства задаются показателями преломления.
Строго говоря, закон Ламберта выполняется только для монохроматического света. Отклонения от закона Ламберта могут возникать, например, при прохождении через вещество очень сильных потоков излучения от мощных лазеров, что связано с нелинейными явлениями. Показатель преломления и показатель поглощения определяют оптические свойства однородного вещества. Оба эти параметра зависят от частоты света. Поглощение и преломление света связано с возбуждением электромагнитной волной колебаний зарядов в среде. Зависимость показателя поглощения от частоты имеет вид полос поглощения, разделенных областями прозрачности (спектр поглощения). Поглощение возникает тогда, когда частота света близка к какой-либо из собственных частот колебаний заряженных частиц вещества. Это соответствует классическим представлениям, согласно которым электрическое поле световой волны возбуждает колебания тем сильнее, чем ближе частота света.к резонансу с, частотой собственных колебаний.
Зависимость показателя преломления от частоты называется дисперсией. Показатель преломления сильно зависит от частоты вблизи полос поглощения. Однако влияние резонансной частоты на показатель преломления распространяется на больший частотный интервал, чем; поглощение.
Методика подготовки образцов
Для комплексного исследования оптических и физико-химических свойств готовились образцы с покрытиями определенного состава, структуры, толщины и цвета путем последовательного нанесения ППК и наполнителей на стеклянные, металлические и фольгированные подложки при различных температурно-временных режимах.
В качестве подложек для нанесения ППК использовались пластины из стекла и листовой стали с размерами 150 х 50 х 0,8мм. Для сравнения свойств использовались также стандартные промышленные образцы со световозвращающими пленками на фольгированной основе.
Исследования свойств наполненных покрытий проводились с использованием стандартных методов: определение адгезии (ГОСТ 15140-78), укрывистости (ГОСТ 8784-75), твердости (ГОСТ 5233-89), прочности при ударе (ГОСТ 4765-73), внешнего вида (ГОСТ 9.707-84), светостойкости (ГОСТ 9.045-75), стойкости в атмосферных условиях (ГОСТ 6992-68), I стойкости в жидких агрессивных средах (ГОСТ 9.083-78). Толщина покрытий измерялась толщиномером SaluTron(R)CombiD3.
Для исследования оптических свойств микросфер и наполненных покрытий использовались следующие приборы и установки.
Рефрактометр Аббе ИРФ-454БМ для измерения показателей преломления прозрачных образцов в пределах 1,2 - 2,0.
Фотометр отражения ФО-1 для измерения коэффициента отражения диффузных, зеркально диффузных и зеркальных образцов, коэффициентов пропускания прозрачных твердых тел, а также для качественной оценки диффузно - рассеивающих образцов по их коэффициенту пропускания в пределах от 1 до100%. Источник света галогенная лампа КГМ 6,3-15, приемник лучистой энергии - фотоумножитель ФЭУ-4. В фотометре имеются 12 светофильтров и один коррегирующий светофильтр для приведения спектральной чувствительности глаза.
Фотометр фотоэлектрический постоянного излучения ФПЧ-1 для измерения яркости источников света со сплошным спектром. Фотоэлектрический блескомер ФБ -2 с двухлучевым осциллографом С1-65Т. Спектрофотометр СФ-18 для определения коэффициентов пропускания и оптической плотности прозрачных веществ и светорассеивающих образцов методом рассеяния в видимой области спектра. Спектральный диапазон 400 - 750 нм, источник излучения - проекционная лампа К-17, приемник - мультищелочной фотоэлемент Ф-10, обратная линейная дисперсия 1,6 -16,5 нм/мм.
Усилитель селективности У2-8 для усиления сигналов и выделения малых напряжений синусоидальной формы и преобразования среднеквадратичного значения синусоидального напряжения в постоянное напряжение. Усилитель имеет два режима усиления - синхронополосный и селективный и два способа преобразования - линейное и синхронное. В широ кополосном режиме: диапазон частот усиливаемых напряжений от 20 до 200 кГц, коэффициент усиления имеет ступенчатую регулировку через 10 дб в диапазоне от 20 до 100 дб.
Для изучения положения микросфер в процессе пленкообразования покрытий разработан экспериментальный стенд (рис.2.1).
Образец с нанесенной полимерной порошковой композицией устанавливается на рабочую поверхность нагревательного устройства и при воздействии температуры происходит процесс предварительной термообработки основного слоя покрытия при выбранных температурно-временных режимах. Затем на этот слой наносятся микросферы, и образец вновь устанавливается на нагревательное устройство для окончательного пленкообразования покрытия. Для измерения индикатрис отражения и рассеяния была разработана экспериментальная установка, схема которой представленная на рис. 2.2. Рис.2.2. Схема установки для измерения индикатрис отражения покрытий: 1 - осветитель (лазерный диод, лампа накаливания с коллиматором); 2 - образец отражения; 3 - поворотный столик с угловым отсечением; 4 -штанга осветителя; 5 - электромеханический модулятор; 6 - бленда; 7 -диафрагма; 8 - фотоприемник (светодиод, фотометр ФПЧ-1); 9 - широкополосный усилитель У2-8; 10 - фотометр ФПЧ-1; 11 - блок питания; 12 -блок измерения фотометра.
Методика измерения состоит в том, что исследуемый образец устанавливается на поворотном столике с угловым отсчетом. На столике закрепляется штанга, на которую устанавливается осветитель. Путем поворота столика обеспечивается изменение угла направления отраженного светового потока (при неподвижных фотоприемных частях установки). Угол поворота отсчитывается с точностью 0.3 . Направление падения пучка света от осветителей меняется в диапазоне ±45, точность отсчета ±_2. По ходу оптического луча устанавливается электромеханический модулятор (угловая частота 200 - 400 Гц), затем диафрагма и фотоприемники. В качестве фотоприемника используется фотометр ФПУ-1. Усилитель 9 в виде широкополосного усилителя У2-8 обеспечивает измерение сигнала фотоприемника 8. При использовании фотометра ФПУ-1 индикация величины сигнала осуществляется с блока измерения 12. Расстояние от осветителей до образцов составляло /, бООлш, расстояние от образца 2 до фотоприемника 8 12 -800-1000мм. Длина волны излучения ЛД 8 Л= 640 нм. Отсчет углов осуществляется с шагом 2.5, данные заносятся в таблицу и обрабатываются на компьютере.
Точность измерения сигнала, соответствующего световому потоку -случайная погрешность +3 %, погрешность при измерении сигнала от і (і - ток фотоприемника) до 0,1 -/ составляла менее 15%. Размеры диафрагмы фотоприемника составляли d20 и d5 мм, что соответствует плоским угла наблюдения (угловое разрешение системы) 1,3 и 0,32.
Интегральные коэффициенты отражения определялись путем измерения коэффициентов диффузного отражения (спектрофотометр СФ-18, фотометр отражения ФО-1), а также направленного отражения (фотометр отражения ФО-1, спектрофотометр "Сагу-5000"). В качестве образцов использовались светорассеивающие покрытия различного цвета на металлической подложке. Спектрофотометр СФ-18 эталонировался на пропускание по образцу светофильтра НС, прилагаемого к прибору. Коэффициент интегрального светоотражения измерялся в диапазоне волн 400 - 750 нм. Скорость развертки спектра 90 нм/мин. В качестве источника излучения использовалась проекционная лампа К17-170.
Для изучения световозвращающих свойств исследуемых покрытий при различных углах падения є луча света определяли коэффициент свето-возвращения р. На базе промышленного блескомера БР-2 разработано экспериментальное устройство для оценки световозвращения в зависимости от угла падения освещения (рис. 2.3).
Исследование влияния микросферических отражателей на оптические свойства покрытий
Методика расчета - численная реализация физической модели, которая состоит из рассмотренной выше структуры покрытия, определения характеристик ее структуры, приближений (приближение лучевой оптики) при расчете. Основной идеей расчета является то, что при падении излучения на покрытие под углом близким к нормальному углу, расчет распространения лучей и преобразования амплитуд волн достаточно вести в одной плоскости, перенося этот расчет в другие плоскости, повернутые относительно исходной вокруг оси вращения, совпадающей с направлением распространения падающей волны. Это направление предполагается близким к нормали к поверхности покрытия.
Математическая модель — последовательность математических операций, позволяющая с учетом физических представлений о распространении, излучения (лучей) найти распределение интенсивностей отраженных структурой сокрытия лучей по заданному распределению интенсивностей падающих лучей. Схема для расчета приведена на рис. 3.4. Лучи света, проходя через сферу, испытывают многократные френелевские отражения на её внутренней поверхности и выходят в разных направлениях, в том числе в обратном направлении по отношению к падающему пучку (рис.3.1). Параллельный пучок лучей падает вдоль оси у на шар с радиусом г (показана меридиональная плоскость) на расстоянии хі от оси. Причем луч падает под углом є относительно нормали к поверхности сферы N, отражается под углом є и преломляется под углом є . Этот луч отражается и преломляется в точке 2 и движется в направлении точки 3. Далее, этот процесс повторяется, приводя к появлению при преломлении все новых лучей, направленных либо в заднюю полусферу пространства, окружающего шар, либо в переднюю по отношению к направлению распространения падающего пучка. При этом задаются показатели преломления сред, коэффициенты потерь а (к) для окружающей среды и шара, радиус шара г и длина волны излучения (для световых расчетов 0.38мкм X 0.74мкм).
Из геометрических построений при отражении лучей внутри сферы можно показать, что углы падения луча во всех точках последовательных отражений (точках 2,3,4..-) будут одинаковыми, а, следовательно, коэффициенты преломления и отражения при расчете хода луча достаточно вычислить один раз (в точке 2). Последовательная интенсивность отраженных пучков будет уменьшаться по закону /", где у - некоторая величина, у« 1 (для є 20), т - номер отражения (гп = 1 в точке 2). Например, для пг =1,510, «1=1,000 (угол полного внутреннего отражения є = 40), коэффициент отражения для неполяризованной волны равен 0,04, тогда при трех отражениях (точка 4) относительная интенсивность отраженной волны будет р3 (0,04)3 = 6x10"5. Так как линия, проведенная из центра окружностей разного радиуса и пересекающая эти окруишости, составляет один и тот же угол с параллельными прямыми, проходящими через точки пересечения, то изменение радиуса окружностей не влияет на направления распространения всех соответствующих лучей, т.е. дисперсионные свойства шара не зависят от его радиуса.
Алгоритм расчета. Последовательность вычисления состояла в том, что при каждом прохождении луча I на каждом шаге (от одной точки пересечения границ сред до другой) рассчитывались: точки пересечения луча с поверхностью (например 0-1), ход луча (длина отрезка 0-1), направление луча при преломлении и отражении, потери излучения на этом пути в соответствии с законом Бугера, преобразования амплитуд волн при отражении и преломлении по формулам Френеля. Учитывалось до 10 многократных отражений луча в среде. Затем также находилось распространение преломленных на поверхности сферы лучей до тех пор, пока лучи не выходили через первую поверхности пленки (лучи В), затем находились интенсивности этих лучей. Просчитывался ход только тех лучей вне сферы внутри многослойной структуры покрытия, которые находились в конусе Ф = ± 50 и Ф = ± 30. Причем расчет проводился для одной заданной длины волны. При известных дисперсиях показателей преломления покрытия расчет повторялся для других длин волн, и затем находилась соот ветствующая сумма интенсивностей. Коэффициент отражения подложки задавался, а максимальный угол отражения равнялся 70. При расчете падающие лучи I и П смещаются, и проводится расчет множества лучей в области двойного радиуса. Отраженные структурой лучи сортировались по углам выхода, и таким образом находилась величина распределения интенсивности отраженной волны - индикатриса рассеяния.
Получаемая индикатриса рассеяния имела по условиям задачи цилиндрическую симметрию относительно оси у, это облегчало нахождение суммарного потока излучения отраженной волны. Интегральный спектральный коэффициент отражения рх находился как отношение суммы интенсивностей лучей Вь рассеянных покрытием, к сумме интенсивностей всех лучей, падающих на покрытие в области сферы (рис. 3.1). Алгоритм реализован на алгоритмическом языке в математической среде Math CAD 2001. Схема расчета и графическое изображение одного из лучей приведена на рис. 3.5.
Обобщенная схема расчета. Проверка работы программы осуществлялась ручным просчетом прохождения, вычислением соответствующих коэффициентов отражения и преломления на границах раздела сред, расчета потерь, вычисления направлений распространения лучей при многократных отражениях и преломлениях. Вычислялись направления и интенсивность отраженных лучей (лучевая индикатриса рассеяния), интегральный (по углам рассеяния) коэффициент отражения. Исходными данными являлись характеристики оптико-физической модели покрытия, результатом расчета были лучевые индикатрисы рассеяния (в декартовой и полярной системе координат), величина интегрального коэффициента отражения. Блок-схема расчета представлена на рис.3.6, а пример вывода результатов расчета показан на рис.3.7.
На рис.3.7, а представлено нормированное распределение интенсив-ностей рассеянных порошковым покрытием лучей в зависимости от угла рассеяния в декартовой системе координат, нормирующий множитель напечатан отдельно. На рис.3.7, б изображено стандартное представление индикатрисы рассеяния - распределение интенсивностей рассеянных лучей по полярным углам, а на рис 3.7, в показана гистограмма распределения интенсивности рассеянного излучения. При этом угловое пространство рассеяния разбито на отдельные равные угловые секторы, а величина соответствующего прямоугольника диаграммы пропорциональна сумме интенсивностей лучей, рассеянных в этом угловом секторе.
Отражение (рассеяние) существенно зависит от разности показателей преломления сферы (пг) и показателей преломления окружающих сред (иі,... «б), коэффициента отражения подложки и коэффициента отражения на границе раздела, в частности, стекло (шара) - окрашенный слой. Изменяя соотношение между показателями преломления сферы и окружающих сред с помощью разработанной программы можно определить технические требования и оптимальную структуру покрытия с необходимыми свето-возвращающими свойствами.
Камера нанесения исходных компонентов
Работа распылительного устройства происходит следующим образом. При подаче сжатого воздуха с входного штуцера, соединенного гибким шлангом с блоком подготовки воздуха через управляющий золотниковый клапан, по каналам в корпусе у эжекторной втулки образуется разряжение, способствующее всасыванию ППК из бункера и подачи ее в центральный патрубок. Порошково-воздушная смесь во входной втулке приобретает вихревое движение для улучшения условий формирования факела и равномерного распределения в ней порошковых частиц. Одновременно происходит зарядка частиц порошка в зоне коронирующих электродов и равномерное нанесение порошковой композиции на поверхность заземленного изделия. Регулирование расхода порошка производится эжекторным соплом в корпусе.
Проблема улавливания и утилизации порошковых материалов в различных областях современной техники является весьма актуальной в связи со значительными материальными потерями и загрязнением окружающей среды пылевидными частицами. Например, в процессе нанесения покрытий на основе полимерных порошковых композиций с наложением электростатического поля высокого напряжения значительное количество порошковых материалов не оседает на поверхности окрашиваемых изделий. Для улавливания и сепарации порошковых материалов из пылевоздушной смеси используются ци 131 клоны. Однако в существующих конструкциях циклонов не удается достигнуть достаточно высокой степени сепарации порошковых материалов.
Система рекуперации (циклон) устанавливается за камерой напыления и выполнена из нержавеющей стали с применением быстро-съемных разъемов. На выходе из вентилятора устанавливается камера для улавливания ППК. Рекуперируемый порошок собирается в съемный бак (накопитель), откуда поступает на участок подготовки ППК. Система рекуперации - двухконтурная. В качестве первого контура система содержит циклонный улавливатель более крупных фракций ППК, не осевших на изделие. В качестве второго контура используются трехпатронные фильтры с общей фильтрующей поверхностью 24 м2 с приспособлениями для встряхивания, управляемыми электромагнитными пневматическими клапанами. Сжатый воздух из ресивера камеры подводится на приспособления путем нажатия на кнопочные пускатели электромагнитных пневматических клапанов.
В работе проведены расчеты по определению оптимальных размеров разработанного циклона, в частности, соотношения площади камеры смешения и сопла, обеспечивающего максимальное разрежение в приемной камере эжектора; оптимального расстояния от сопла до камеры смешения, а также влияния длины цилиндрической части камеры смешения на рабочие параметры эжектора с учетом технологических режимов процесса.
На рис. 4.5. показано распылительное устройство для нанесения заряженных микросферических частиц в электростатическом поле на предварительно термообработанный слой порошкового покрытия. Распылительное устройство состоит из корпуса 1, ручки 2, бункера 3 для загрузки микросфер, ствола 4 с встроенным умножителем напряжения 5, канала 6 для подачи микросфер и коронирующего электрода 7, расположенного в выходном патрубке ствола, в котором закреплен распылительный насадок. Насадок представляет собой цилиндрический корпус 8 с коническим участком на выходе, в котором расположен центральный канал 9 с закрытым торцом на выходе, а на входе кольцевой цилиндрический канал 10, переходящий на выходе в кольцевой конический канал 11, образованный цилиндрической втулкой 12 и коническим отражателем 13 с коронирующей иглой 14. На кольцевой поверхности цилиндрической втулки расположены тангенциальные отверстия 15 (сечение А-А), на коническом отражателе выполнены пазы 16 (сечение В-В), а в цилиндрическом корпусе имеется система отверстий 17 для эжектирования воздуха из окружающей среды. На торцевой поверхности центрального канала расположен конический рассекатель 18, вершина которого направлена навстречу потоку частиц наполнителей, а на входе в распылитель канал имеет сужающийся участок 19.
Распылительное устройство работает следующим образом. Частицы наполнителя из бункера за счет эжектирования воздуха поступают под давлением в канал и попадают в выходной патрубок. Затем по сужающемуся участку центрального канала, частицы, отражаясь от конического рассекателя, поступают в кольцевой цилиндрический канал по тангенциальным отверстиям на кольцевой поверхности цилиндрической втулки и приобретают вращательное движение.
