Нетепловое модифицирующее СВЧ-воздействие на полимерные материалы

Разработка новых полимерных материалов является одним из перспективных направлений современной науки и техники, так как обеспечивает научно-технический прогресс для многих отраслей промышленности. Осуществляется поиск вариантов модификации традиционных материалов, модификация полимеров широко используют электрофизические методы, например, упругие колебания звукового и ультразвукового диапазонов, вибрации, токи СВЧ, лазеры, электромагнитные излучения.

Поиск и изучение альтернативных технологий модификации полимерных материалов связан со сложностью традиционных технологических процессов, высокими энергетическими и трудовыми издержками, проблемами с экологией.

Эксперименты по применению электрофизических методов получения полимерных материалов и изделий доказывают эффективность применения энергии сверхвысокочастотных СВЧ электромагнитных колебаний. Обработка полимерных материалов и готовых изделий в объеме позволяет ускорить технологический процесс по сравнению с другими методами обработки.

СВЧ обработка повышает качество готовых полимерных изделий, снижается объем брака, уменьшаются габариты технологической установки, повышается экономическая эффективность.

Применение СВЧ поля в качестве источника энергии

СВЧ излучение в качестве источника энергии для обработки материалов стало применяться со второй половины ХХ века. Сейчас определена природа нагрева, разработаны методики расчета
систем СВЧ нагрева, существуют методы математического моделирования технологических процессов тепловой обработки, разрабатывается программное обеспечение и классификация СВЧ систем, разработано большое разнообразие установок СВЧ нагрева.

Кроме того, известны исследования, в которых упоминается о нетепловом воздействии микроволнового СВЧ электромагнитного поля на вещества, изучен определенный технологический эффект от кратковременного воздействия на полимерные материалы микроволнового СВЧ электромагнитного поля.

Нетепловое воздействие СВЧ излучения на полимеры

Современной актуальной задачей является исследование нетеплового модифицирующего СВЧ излучения на полимеры и пути повышения их эффективности. В частности, в большей мере
представляют интерес синтетические полимеры и подтверждение гипотезы существования нетеплового модифицирующего СВЧ воздействия микроволнового излучения.

Известно, что синтетические полимеры являются полярными диэлектриками. Для изменения и корректировки технических характеристик в них вводят стабилизаторы, пластификаторы,
твердые наполнители.
Для исследования нетеплового воздействия микроволнового СВЧ излучения удобно использовать полярные термопластичные и термореактивные диэлектрики, в которых преобладает аморфная
структура. Технические и технологические характеристики полимерных материалов определяются
их молекулярной структурой. Важны все три вида структур полимерных материалов, так как механизмы воздействия электромагнитного микроволнового излучения СВЧ на полимеры с различной молекулярной структурой, очевидно, будут отличаться.

Фенолоформальдегидные полимеры в СВЧ поле

Фенолоформальдегидные полимеры — это наиболее распространенные термореактивные полимерные материалы, хорошо растворимые в спиртах, ацетоне и других растворителях, имеют хорошую адгезию. Обладают высокой химической стойкостью, твердостью и хрупкостью. В целях повышения эластичности и повышения клеящих характеристик в них добавляют другие полимеры.

Эксперименты проводились с фенолоформальдегидной смолой (ФФС). Приготовленный состав для обработки СВЧ излучением заливался в прямоугольные пластиковые кюветы. Время СВЧ излучения и время изменения параметров измерялось секундомером. Одновременно проводились контрольные опыты с изменением состава вне СВЧ поля. Повышение температуры материала также связано с его разогревом за счет достаточно большой теплоты реакции с отвердителем.

Результат исследования воздействия СВЧ поля на процесс отвердевания смолы

В результате экспериментов установлено, что воздействие СВЧ излучения на фенолформальдегидной смолы не только ускоряет процесс его отвердевания, но и модифицирует физико‑механические свойства. Механизм нетеплового влияния микроволнового СВЧ поля на полимер заключается в модификации ее топологической структуры, влияющей на распределение глобул и их частоту.

Повышение температуры полимерного материала после воздействия СВЧ энергии за счет теплоты химической реакции увеличивает кинетическую гибкость полимера. Что позволяет вступать в реакцию отвердевания дополнительному количеству формальдегидных
групп.

Обработка полимеров в электромагнитной волне СВЧ поля оказывает характерное влияние и на низкомолекулярные фракции смолы, являющиеся матрицей для глобул. Микроволновое СВЧ излучение повышает энергию теплового движения мономеров, что способствует их интенсивной полимеризации и установлению поперечных дополнительных связей. Низкомолекулярная
фракция полимера становится менее дефектной с более прочной поперечно‑сшитой структурой.

Уменьшение дефектности структуры низкомолекулярной фракции и увеличение размеров глобул в структуре отвердевшего вещества фенолформальдегидной смолы приводит к модификации ее технологических характеристик.

СВЧ энергия в производстве композиционных материалов

Распространение полимеров объясняется высоким качеством получаемых композитов, относительной простотой и дешевизной промышленного производства. Технологии производства армированных пластиков стремительно развиваются, потому что процесс не требует наличия высокого давления или высокой температуры.

В современной промышленности 75% всех армированных пластиков производятся на основе термореактивных матриц, в качестве которых используют эпоксидные, полиэфирные, полиамидные и фенольные смолы. Композиты с максимальными механическими характеристиками производят на основе эпоксидных смол.

В различных технологических процессах обработки композитных материалов широко применяется энергия СВЧ поля, влияющая на физико-механические и физико-химические свойства вещества в результате теплового или нетеплового воздействия.

Преимущества применения СВЧ излучения

Применение микроволновой энергии СВЧ поля для изменения свойств материалов и интенсификации процесса отвердевания эпоксидной смолы объясняется рядом причин:

• ускорение процесса обработки за счет объемного проникновения СВЧ волны в вещество;
• равномерность воздействия СВЧ-излучения на вещество;
• скорость протекания процесса;
• минимум загрязнения материала в процессе обработки;
• высокая точностью дозирования СВЧ энергии;
• хорошая экология.

Изучение влияния СВЧ поля на эпоксидную смолу

Экспериментальный процесс отвердевания эпоксидной смолы при воздействии СВЧ излучения исследовал влияние времени СВЧ-обработки на время отвердевания при разных объемных соотношениях смолы и отвердителя. Критериями качественной оценки являлись твердость, прозрачность, однородность отвердевших образцов полимера.

Выяснено, что время отвердевания смолы при воздействии СВЧ поля уменьшается в 10–50 раз. Эффективные режимы обработки позволяют получить материал с высокими технологическими показателями, не уступающий контрольным образцам, полученным классическим методом.

Помимо этого, важное технологическое значение имеет результат, что при СВЧ воздействии допустимо снижение объемной доли отвердителя в готовой смеси без ухудшения качества материала.

Повышение пластичности и текучести смол при кратковременном воздействии СВЧ поля

Характерным моментом процесса отвердевания смолы после воздействия СВЧ излучения является заметное уменьшение вязкости смолы с последующим быстрым переходом материала в стеклообразное состояние.

Эта особенность представляет особый практический интерес при необходимости получения композиционных материалов с высокой текучестью компаунда на стадии переработки для заполнения форм, полостей, зазоров, щелей, пор и капилляров. Смолу без использования пластификаторов можно смешивать с различными металлическими, минеральными и органическими добавками, а низкая начальная вязкость смолы в результате СВЧ-излучения позволяет применять большие объемы добавок без ухудшения качества полимера.

За счет пластичности можно получать детали из полимера весьма сложной конфигурации без использования внешнего повышенного давления и без термического прессового оборудования с дорогостоящими пресс-формами. При этом улучшаются эксплуатационные свойства готовых изделий.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании