Задача контроля степени полимери­зации актуальна при производстве как неармированных, так и армированных пластиков, характеристики которых опре­деляются степенью полимеризации мате­риала. Контроль процесса полимеризации позволяет не только следить за качеством продукции, но и оптимизировать одну из важнейших стадий технологии ее изготов­ления.

Ультразвуковые методы контроля процесса полимеризации пластиков осно­ваны на измерении двух параметров: ско­рости распространения упругих волн и их затухания. Выбор этих параметров и спо­собы их оценки определяются конкретны­ми условиями задачи.

А. И. Кондратьев с соавторами [177] изучали упругие свойства материалов на основе эпоксидных смол и их изменение в процессе полимеризации. Исследовали различные композиции материалов, отли­чающиеся соотношениями смолы (ЭД-20), отвердителя, пластификатора и порошко­образных наполнителей (стекла, графита, фторопласта). Скорости продольных и поперечных волн измеряли эхометодом в процессе отверждения материалов при комнатной температуре во временном ин­тервале от 5 мин до 24 ч. Центральная частота УЗ-импульсов 2,5 МГц, толщина образцов - несколько миллиметров. В процессе полимеризации скорость продольной волны возрастает от 1800 до 2400 м/с. В первые 6 часов рост скорости имеет нерегулярный характер (рис. 7.71), что объясняется особенностями процесса формирования структуры материала. В интервале 6 ... 24 ч наблюдается плавное и монотонное нарастание скорости до максимального значения. Через 5,5 ч про­цесс отверждения достигает стадии, когда появляются условия для распространения поперечной волны, скорость которой мо­нотонно увеличивается до максимума. Приведены составы композиций, изме­ренные значения скоростей продольных и поперечных волн и рассчитанные по ним модули нормальной и сдвиговой упруго­сти. Модули упругости оказались выше приведенных в литературе. Это объясня­ется тем, что акустическим методом изме­ряются адиабатические постоянные, ста-

тическими - изотермические (см. разд. 7.3).

Контроль процесса полимеризации смол описан также в докладе [425, с. 436/482]. Авторы использовали метод прохождения. Излучающий и приемный преобразователи специализированного прибора USLT 2000 располагали на двух частях пресс-формы. Пьезоэлементы пре­образователей стабильно работали до тем­пературы 200 °С. После нагрева и запол­нения пресс-формы измеряли скорости продольных и поперечных волн и их зату­хание в функции времени.

В процессе полимеризации смолы RTM6 при температуре 160 °С скорость с; продольных волн в ней монотонно увели­чивается до предельного значения 2400 м/с (рис. 7.72). Для продольной вол­ны максимум затухания 8 наблюдается на стадии, когда произведение времени ре­лаксации на частоту близко к единице. Прохождение поперечной волны начина­
ется только после перехода определенной стадии процесса, когда появляется упру­гость формы. Затухание этой волны с мо­мента ее появления резко и монотонно уменьшается. На практике используют продольные волны, позволяющие контро­лировать все стадии процесса. Методика и

в) г)

Рис. 7.74. Изменение ультразвуквого
импульса после прохождения через
отверждающийся стеклопластик через:

а - 3 часа; 6-7 часов; в - 24 часа; г - 48 часов

аппаратура позволяют исследовать и опти­мизировать выбор температуры и времени отверждения смолы.

Г рафики изменения скорости звука во времени при различных температурах отверждения показаны на рис. 7.73. На основе полученных данных контроль про­цесса полимеризации связующих легко автоматизировать.

Методика применима и для контроля отверждения препрегов (заготовок ПКМ до полимеризации связующего). Однако армирующие волокна несколько меняют характер наблюдаемых зависимостей, что объясняется ухудшением акустического контакта на начальной стадии процесса.

Термореактивные пластмассы (ре - актопласты) получают смешиванием при комнатной температуре твердых гранули­рованных компонентов; смолы, отверди - теля и заполнителя [422; с. 1020; 425, с. 388/480]. Смесь нагревают до темпера­туры плавления (60 ... 70 °С), а затем по - лимеризуют при температуре 100... 180 °С. Процесс полимеризации начинается при температурах 100 ... 120 °С и продолжает­ся 20 ... 30 с. При использовании техноло­гии прессования исходные материалы рас­плавляют и прессуют в пресс-форме, при литьевой технологии - пресс-форму заполняют предварительно расплавленной

массой.

Процесс полимеризации контроли­руют У 3-мето дом прохождения. Излу­чающий и приемный преобразователи продольных волн устанавливают на верх­ней и нижней частях пресс-формы. Зату­хание оценивают по амплитуде сквозного сигнала, упругие свойства — по времени его задержки. В промышленной установ­ке, использующей метод прессования, применяют пьезокерамические преобразо­ватели, стабильно работающие при давле­ниях до 60 МПа и температурах до 200 °С. Диаметр преобразователей 8 мм, рабочая частота от 4 до 5 МГц. Установка управ­ляется компьютером, результаты измере­ний представляются на его дисплее. Рас­стояние между преобразователями авто­матически измеряется и учитывается при расчете скорости и затухания.

При нагреве материал сначала раз­мягчается, что отмечают по увеличению затухания и снижению скорости звука (а значит, и модуля нормальной упругости). Затем начинается полимеризация, сопро­вождающаяся ростом амплитуды сигнала и увеличением скорости звука (уменьше­нием времени задержки сигнала). С окон­чанием процесса полимеризации амплиту­да сигнала и скорость звука достигают максимальных значений.

Рассмотрено влияние различных фак­торов на процесс полимеризации материа­ла. Каждый полимер характеризуется сво­ей формой кривой изменения затухания и скорости звука во времени. Одна из разра­ботанных установок используется в про­изводстве шкивов приводных ремней ав­томобильных двигателей. Установка вы­дает сертификат качества, содержащий кривую изменения скорости продольной волны от времени полимеризации.

Термопласты в отличие от реакто- пластов получают инжекционным (литей­ным) методом. При этом материал нагре­вают перед заполнением им пресс-формы, в которой он охлаждается и затвердевает. Для определения оптимального времени извлечения изделия из формы нужно знать

момент окончания процесса, который оп­ределяют по тем же признакам - прекра­щению роста амплитуды и изменения времени задержки сквозного сигнала.

Процесс отверждения связующего в стеклопластиках контролируют также по изменению скорости распространения УЗ - волн [247]. По мере твердения скорость звука в стеклопластике асимптотически повышается до максимума, причем зако­номерность эта разная для направлений вдоль основы и вдоль утка (основа и уток - совокупности нитей, идущих вдоль и поперек стеклоткани). Одновременно повышается прочность стеклопластика.

Другой способ контроля степени от­верждения смолы - по изменению частот­ного спектра сквозного или донного сиг­нала [247]. Применяют широкополосные импульсы с центральной частотой 150 кГц. На рис. 7.74 показано изменение центральной частоты импульса, связанное с тем, что в материале с неотвержденной смолой высокочастотные составляющие спектра сильнее затухают. Частота повы­шается от 20 ... 25 до 144 кГц.

Контроль пропитки связующим армирующих волокон. В [77] сообщается о бесконтактном ультразвуковом способе контроля пропитки связующим армирую­щих тканей, лент и жгутов. Способ ис­пользует различие коэффициентов отра­жения УЗ-волн от пропитанного и непро - питанного материала на его границе с воз­духом. Контроль проводили эхометодом на установке с двумя парами излучающих и приемных преобразователей с воздуш­ной связью (рис. 7.75).

Углы наклона акустических осей преобразователей к поверхности материа­ла составляли 15 ... 30°, центральные час­тоты импульсов 25 и 150 кГц. Одна пара преобразователей принимала отраженный сигнал от непропитанного материала, дру­гая - после его выхода из пропиточной ванны материала и прохождения отжим­ных валков, удаляющих избыток связую­щего. Излучающие преобразователи каж-

дой пары возбуждали от одного генерато­ра, сигналы от приемных преобразовате­лей сравнивали в блоке обработки инфор­мации. При содержании связующего в органожгутах от 40 до 60 % погрешность оценки количества связующего не превы­шает 3,3 %.

Контроль термообработки фторо - полимеров. Фторополимер - синтетиче­ский термопластичный материал. Изделия из фторополимеров на заключительной стадии изготовления проходят термообра­ботку. Закалка обеспечивает равномерное распределение структурных образований, оптимальное соотношение кристалличе­ских и аморфных областей в структуре полимера.

Скорость распространения звука в фторополимерах увеличивается с ростом кристалличности, что используют для контроля изделий из фторополимеров, например шлангов (В. Э. Штейберг и др). Вдоль стенки шланга распространяется У 3-волна с частотой 60 ... 100 кГц. Кон­троль выполняют методом прохождения. Поскольку чрезмерная кристалличность ухудшает свойства фторополимера, кри-

тернем качества является нахождение ско­рости (точнее, времени пробега УЗ через заданную базу) в определенном диапазо-