Спосіб прогнозування вмісту полімерних зв’язуючих в просочених тканих волокнистих композитах, одержаних з використанням ультразвуку

Спосіб прогнозування вмісту полімерних зв'язуючих в просочених тканих волокнистих композитах, одержаних з використанням ультразвуку, який включає здійснення низькочастотної ультразвукової обробки просочених полімерними, переважно епоксидними, зв'язуючими тканих волокнистих наповнювачів і наступне визначення вмісту полімерних зв'язуючих в цих композитах, який відріз U 2 (19) 1 3 Спосіб найбільш близького аналога є трудомістким, малодостовірним і витратним, адже він передбачає періодичне витягання і зважування зразків просоченого наповнювача, або встановлення необхідних вимірювальних датчиків щонайменше у двох точках просочувального агрегату: перед вузлом просочування, де визначається маса 1 м2 наповнювача, що не просочився, і на виході з сушарки, де визначається маса 1 м2 і висушеного наповнювача, що просочився. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення ефективності, спрощення процесу прогнозування та підвищення достовірності отримуваних результатів при прогнозуванні вмісту полімерного, переважно епоксидного, зв'язуючого в просоченому тканому волокнистому композиті, одержуваному з використанням низькочастотної ультразвукової обробки, шляхом встановлення відповідних аналітичних залежностей, що дозволять визначати шуканий вміст полімерного зв'язуючого у залежності від параметрів ультразвукової обробки. Поставлена задача вирішується тим, що в способі прогнозування вмісту полімерних зв'язуючих в просочених тканих волокнистих композитах, одержаних з використанням ультразвуку, який включає здійснення низькочастотної ультразвукової обробки просочених полімерними, переважно епоксидними, зв'язуючими тканих волокнистих наповнювачів і наступне визначення вмісту полімерних зв'язуючих в цих композитах, новим є те, що, визначають ефективні значення досліджуваних змінних параметрів ультразвукової обробки, в якості яких вибирають частоту і час здійснення контактної ультразвукової обробки просоченої тканини, а також швидкість її протягування, при цьому прогнозування визначення вмісту полімерних зв'язуючих в просочених тканих волокнистих композитах здійснюють за допомогою математичної моделі для кожного змінного параметру ультразвукової обробки у вигляді рівняння Y = а0 + a1.X1 + а2.Х2 + а3.Х3 + а1.Х1.Х2 + а1.Х1.Х3 + а1.Х2.Х3, де Х1 - частота ультразвукових коливань f кГц, Х2 - час контактної ультразвукової обробки непросоченої тканини tуз, с, Х3 - швидкість протягування тканини V, м/с, Y - вихідний параметр, що означає величину нанесення полімерного зв'язуючого на просочений тканий волокнистий матеріал, підданий ультразвуковій обробці, С, % , а0, а1, а2, а3 - постійні коефіцієнти моделі, які потрібно знайти. Перераховані ознаки способу складають сутність корисної моделі. Наявність причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю істотних ознак корисної моделі і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. Вміст полімерного зв'язуючого в волокнистому наповнювачі (ВН), що просочився, залежить від тривалості (часу) його перебування в просочувальному розчині. У просочувальному вузлі звичайно автоматично регулюються наступні параметри: рівень зв'язуючого у ванні, його температура і в'яз 57824 4 кість, зазор між віджимними валами. Проте ці методи є складними і потребують великих матеріальних витрат. Було досліджено, що застосування ультразвукового (УЗ) впливу на ВН, що просочується у ванні, а також на ВН, що вже просочився, може розглядатися ефективним засобом для автоматичного підтримання необхідної величини вмісту зв'язуючого у ВН, який просочився. Завданням проведених досліджень було одержання із застосуванням математичних методів планування експериментів адекватних статистичних моделей, що описують вихідні змінні в залежності від вхідних змінних для процесу дозованого наносу полімерних (епоксидних) зв'язуючих (ЕЗ) на тканий ВН шляхом УЗ-обробки. Очікувалось, що це дозволить прогнозувати параметри цього процесу, а також спрямовано регулювати склад і кінцеві властивості просочених і висушених виробів (препрегів) при одержанні тканих епоксидних композитів. На основі проведеного аналізу наявних літературних даних [1, 2] та результатів пасивних (тобто вже проведених) експериментів були визначені вхідні змінні (фактори), що впливають на якісні показники вихідні змінні тканого епоксидного композиту, а саме на величину нанесення зв'язуючого С (%) на просочений тканий матеріал. Вони після ранжуванння за ступенем впливу на вихідні змінні були розташовані в такій послідовності: X1 - частота УЗК /, кГц, Х2 - час контактної УЗ-обробки непрорсоченої склотканини tуз, с, Х3 - швидкість протягування матеріалу у просочувальній ванні V, м/с, Х4 - амплітуда УЗК А, мкм, Х5 - інтенсивність УЗК І, Вт/см2, Х6 - температура просочування Т, °С, Х7 - зусилля притискання випромінюючої пластини на базі магнітострикційних перетворювачів (ПМС) або п'єзокерамічного перетворювача, до тканого матеріалу, що обробляється, F, Н, Х8 - кут нахилу випромінюючої пластини до поверхні тканого матеріалу, що обробляється  , °, Х9 - зсув по фазі УЗК випромінюючих пластин (при використанні ПМС)  , °. Оскільки процес дозованого нанесення ЕЗ на склотканину, як правило, проходить при постійній температурі просочування (7), а такі параметри процесу просочування, що передує процесу дозованого нанесення, як амплітуда УЗК (А), інтенсивність УЗК (І), зусилля притискання (F) випромінюючої пластини до тканого матеріалу, що обробляється, та кут нахилу випромінюючої пластини (  ), залежать від обраної схеми процесу і конструкційних та експлуатаційних можливостей електротехнологічного кавітаційного апарату на базі випромінюючих пластин, за допомогою яких здійснюють процеси просочування і дозованого нанесення, то ці параметри, як правило, стабілізують перед початком здійснення цих процесів. 5 57824 Тоді, відповідно до цих умов, при моделюванні було залишено фактори (X1- Х3) як вхідні змінні, що найбільше впливають на вихідну змінну, а са 6 ме на величину нанесення зв'язуючого на просочений тканий матеріал С, % (Y). З урахуванням цього шукана математична залежність мала такий вигляд: Y = а0 + a1X1 + а2.Х2 + а3.Х3 + а1.Х1.Х2 + а1.Х1.Х3 + а1.Х2.Х3, (1) де а0, а1, ..., а6 - постійні коефіцієнти моделі (1), які потрібно знайти. Спосіб ілюструється за допомогою фіг. 1-3, де показана залежність величини нанесення С, %, зв'язуючого марки ЕДТ-10 на склотканину марки ЕЗ-200 від часу ультразвукової обробки непросоченої склотканини tуз, с, та швидкості протягування тканого матеріалу V, м/с, при варіації частоті коливань f: f = 18 кГц (фіг. 1), f = 20 кГц (фіг. 2) і f = 22 кГц (фіг. 3). Спосіб реалізують наступним чином. Здійснюють низькочастотну ультразвукову обробку просочених полімерними, переважно епоксидними, зв'язуючими тканих волокнистих наповнювачів. Після цього визначають вміст полімерних зв'язуючих в цих композитах. Ця операція передбачає виконання послідовності наступних дій: 1. Визначають ефективні значення досліджуваних змінних параметрів ультразвукової обробки, в якості яких вибирають частоту і час здійснення контактної ультразвукової обробки просоченої тканини, а також швидкість її протягування. 2. Прогнозування визначення вмісту полімерних зв'язуючих в просочених тканих волокнистих композитах здійснюють за допомогою математичної моделі для кожного змінного параметру ультразвукової обробки у вигляді рівняння Y = а0 + a1.X1 + а2.Х2 + а3.Х3 + а1.Х1.Х2 + а1.Х1.Х3 . + а1 Х2.Х3, де Х1 - частота ультразвукових коливань f, кГц, Х2 - час контактної ультразвукової обробки непросоченої тканини tуз, с, Х3 - швидкість протягування тканини V, м/с, Y - вихідний параметр, що означає величину нанесення полімерного зв'язуючого на просочений тканий волокнистий матеріал, підданий ультразвуковій обробці С, % , а0, а1, а2, а3 - постійні коефіцієнти моделі, які потрібно знайти. Нижче наведено приклад реалізації способу. Оптимізацію параметрів процесу дозованого нанесення ЕЗ на склоткані наповнювачі з використанням ультразвукових коливань (УЗК) здійснювали за попередньої детермінізації діапазонів режимних параметрів цього процесу, марок склотканих матеріалів і ЕЗ, виходячи з умов технологічних регламентів виготовлення конкретних матеріалів (фольгованих діелектриків). Для експериментально досліджених склотканих матеріалів марок "Е3-200" і "Т-10-80" шириною 1000 мм, що просочували епоксидними зв'язуючими УП-631 і ЕДТ-10 при температурі 30°С (значення в'язкості зв'язуючих становило відповідно 2,21 і 1,83 Па.с), значення кутів нахилу випромінюючих пластин до поверхні матеріалу становили (10-30)°. Інтенсивність УЗК складала (2-5) Вт/см2. Швидкість протягування варіювалася в межах (0,010,05) м/с. Габарити кожної з двох випромінюючих пластин становили (600 х 150 х 10) мм, амплітуда коливань (2-5) мкм, сумарна вихідна потужність 8 кВт, частота (18-22) кГц, зусилля притискання (515) Н. Величина нанесення зв'язуючого на просочені склотканини становила (35-40)%. План експерименту в реальних координатах та значення вихідної змінної наведено у таблиці 1. Таблиця 1 План експерименту та значення вихідної змінної Y при моделюванні процесу дозованого нанесення епоксидних зв'язуючих на тканий наповнювач з використанням УЗК в реальних координатах 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Вихідна змінна Y (С, %) для марки склотканини: Вхідні змінні (фактори) Номер досліду X1 (f, кГц) 21,99 18,19 18,41 21,25 20,11 18,19 21,39 19,57 19,67 18,99 Х2 (tуз, с) Х3 (V, м/с) Е3-200 Т-10-80 9,60 8,82 8,27 1,25 3,62 1,47 4,67 1 1 6,49 0,013 0,014 0,013 0,019 0,033 0,025 0,032 0,014 0,014 0,033 35 36 38 37 36 38 35 39 38 36 36 35 36 37 35 35 37 38 37 36 Рівні та інтервали варіювання факторів, що показані у табл.2, були вибрані на основі прове деного аналізу наявних літературних даних і результатів пасивного експерименту. 7 57824 8 Таблиця 2 Рівні та інтервали варіювання факторів при моделюванні процесу дозованого нанесення епоксидних зв'язуючих на тканий наповнювач з використанням УЗК Рівень варіювання факторів Верхній Нульовий Нижній X1 (fуз, кГц) 22 20 18 Вихідні дані для складання матриці планування експерименту у кодованій формі згідно £)оптимальному плану [3-4] наведені в табл. 3. Згідно з обраною методикою обробки експериментальних даних [3-4], проводили перевірку однорідності дисперсій та оцінку значимості коефіцієнтів для математичної моделі (1), одержаної для обох марок досліджуваних склотканин. Для Інтервали варіювання факторів для: X2(tуз,c) Х3 (V, м/с) 1 0,035 5,5 0,0225 10 0,01 моделі (1), отриманої як для склотканини Е3-200, так і для склотканини Т-10-80, табличне значення критерію Кохрена GТ для рівня значимості q = 0,05 і числа ступенів свободи f1 = 1, f2 = 10 дорівнює GT = 0,602. Розраховане значення критерію Кохрена дорівнює GP = 0,1. Так як виконується умова GP tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) є значимим; а1 = - 0,77625; tP = 2,9996  tP > tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) є значимим; а2 = - 1,2597; tP = 3,3276  tP > tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) є значимим; а3 = - 0,64302; tP = 2,5337  tP > tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) є значимим; а4 = 0,8192; tP = 1,8555  tP > tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) є значимим; Х3 -0,7205 -0,6702 -0,7097 -0,2399 0,8724 0,2212 0,7984 -0,6061 -0,6105 0,8794 Вихідна змінна (Y) для марки склотканини: ЕЗ-200 Т-10-80 35 36 36 35 38 36 37 37 36 35 38 35 35 37 39 38 38 37 36 36 а5 = 0.39361; tP - 0,72176  tP < tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) не є значимим, і його можна не приймати до уваги при побудові моделі (1); a6= - 0,40144; tP = 0,63656  tP < tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) не є значимим, і його можна не приймати до уваги при побудові моделі (1). Табличне значення іншого досліджуваного критерію, а саме критерію Фішера FT, для рівня значимості q = 0,1 и чисел ступенів свободи f1 = 3, f2= 10 для обох досліджуваних марок склотканин дорівнює 2.72. Розраховане значення критерію Фішера FP для цієї моделі становить: FP = 2,28. Так як FP tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) є значимим; а6 = 2,4313; tP = 3,8553  tP < tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) є значимим. Розраховане значення критерію Фішера FP для цієї моделі становить: FP = 2,6544. Так як FP tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) є значимим; a1 - 0,73247; tP = 3,0518  tP > tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) є значимим; а2 - 0,73247; tP = 1,9349  tP> tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) є значимим; а3 = 0,10963; tP = 0,43197  tP tT, тобто цей коефіцієнт моделі (1) є значимим; Y= + 36.736+0.78977.X1+0.73247.X2+0.10963.X3+0.88896.X1.X2+1.1423.X1.X3+2.4313.X2.X3 (3) У таблиці 5 показані середні експериментальні (Yсер) та розраховані (Yмод.) значення параметру оптимізації Y для просоченої склотканини Т-10-80, що свідчить про задовільний збіг теоретичних і експериментальних даних. Таблиця 5 Середні експериментальні (Ycep.) і розраховані (Yмод.) значення параметру оптимізації Y для просоченої склотканини Т-10-80 з використанням УЗК Номер досліду Yсер. Yмод. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 36,5 36,50 35,5 35,38 35,5 35,62 36,5 36,36 35,5 35,71 35,5 35,4 37,5 37,40 38,5 37,57 36,5 37,55 36,5 36,46 Для більшої наглядності впливу вхідних змінних (X1- Х3) на параметр оптимізації Y були побудовані графічні відгуки при фіксованому значенні Х1 (див. фіг. 1-3). Це було зумовлено тим, що частота УЗК f має незначний інтервал варіювання (18 кГц - 22 кГц), що наперед обумовлено паспортними характеристиками УЗ-генератора (зокрема, марки УЗГ 3-4, що розрахований на вихідну потужність 4 кВт). Тому, розглянувши три варіанти фіксованого значення частоти / УЗК (18 кГц, 20 кГц і 22 кГц), можна отримати практично повну інформацію про вплив цього фактору на шуканий параметр оптимізації (Y). Крім того, у цьому випадку потрібно також перевірити гіпотезу про відносну стабільність вели чини нанесення зв'язуючого С при варіюванні інших вхідних змінних, а саме Х2 та Х3. Джерела інформації 1. Цыплаков О. Г. Научные основы технологии композиционно-волокнистых материалов. 4.1 /Цыплаков О. Г. - Пермь, 1974. - 317 с. 2. Шалун Г. Б. Слоистые пластики / Г.Б.Шалун, Е. М. Сурженко. - Л.: Химия, 1978. -232 с. 3. Рузинов Л.П. Статистические методы оптимизации химических процессов. - М.: Химия, 1972. - 200 с. 4. Статюха Г.О., Петрань А.Г. Розробка комп'ютерної системи підготовки та обробки даних у межах застосування експериментальностатистичної методології для хіміко-технологічних систем//Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2000. - №1. - С 100-106. 11 Комп’ютерна верстка М. Мацело 57824 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601