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超声技术在复合材料生产中应用探讨

发布: 2011-1-17 09:33 |  作者: 杨治中 严卓晟 |   查看: 1404次

&y4f F9s,}D+u0     Sonochemistry and Its Application As  a Modern Technique for Manufacture of Wood Plastic Composites
$i9G)P4z.i9T-J}k0                         北京龙木天成木塑技术推广中心 b3@&J1T ~ N6F
   
高强度的超声可以产生机械效应、热效应、化学效应或生物效应等,应用这些效应能改变物质的性能和状态或加速某种过程。主要应用有超声清洗、搪锡、超声塑料及金属焊接、超声加工、乳化、粉碎、分散、雾化、提取和金属成形等。油掺水、油掺煤粉的超声乳化混合可以节油,降低大气污染。超声治疗和外科手术(如超声手术刀等)也引起人们的重视。功率超声的应用已渗透到国防和国民经济的许多领域。在国防上,超声悬浮托移新技术,可在太空中制造新材料。
HN:m flP6X0    超声的应用不断深入和发展,对超声的基础研究不断提出新的课题,超声处理中的不少机理还没有足够了解,对超声的某些基本特性还没有充分掌握,不少材料、工艺问题还需要完善和提高,还有广阔的新的应用和理论领域需要开拓。这些问题的不断解决,将进一步促进超声学的发展。
1E!HY\QH0    木塑复合材料是一个涉及合成高分子、固体生物质、无机/有机填料、增强剂和各种功能助剂的多组分、多相体系。超声技术在WPC生产产业链中至少可以在下述阶段得到有价值的应用:北京龙木天成木塑技术推广中心 3H#K@T/x^}7D
    1、无损探伤;
4bLL ^`7Y&M0    2、原材料预处理:北京龙木天成木塑技术推广中心 }.p{YS{ ]Y;z5aV
    (a)生物质处理和改性、包覆   (b)高分子官能化、接忮及其它改性   (c)无机和固体添加剂的表面处理与官能化等);北京龙木天成木塑技术推广中心 HRE8xh%HDh%O
    3、废水排放无害化处理;       北京龙木天成木塑技术推广中心 mA;k nIa[
    4、强化挤出;北京龙木天成木塑技术推广中心 8R"] ni0no(Kg m
    5、无尘化超声切割与焊接。北京龙木天成木塑技术推广中心 r+Gf%mcM
    本文中仅就2—4部分作简单介绍。
*~Zs!A UET0北京龙木天成木塑技术推广中心 rm0K hC D8E9[
    一、原材料预处理北京龙木天成木塑技术推广中心 $V$zgS#pmp.k
    杨治中等已经多次系统介绍过在木塑原材料预处理中应用功率超声/超声化学的专用技术及其在(a)生物质处理和改性、包覆,(b)高分子官能化、接忮及其它改性,(c)无机和固体添加剂的表面处理与官能化等)方面达到的效果。北京龙木天成木塑技术推广中心 j:@gV#R"n;Z
    由于生物质来源的品种、产地,收割和存放条件与时间不同,会造成原料的不规范性。
-@x?+|F(O/o5x-O0    高温加工则会使生物质的易挥发份及易氧化、碳化和降解、交联组分发生一系列物理与化学变化,导致加工成型困难、色泽加深( 甚至杉木粉在造粒时变成深茶褐色)和产品脆化、能耗和废品率提高(界面结合差、应力集中、性能不均匀),设备利用率降低(有的企业每生产250 吨左右设备便严重磨损)。北京龙木天成木塑技术推广中心 rBi!bj/xK
    事实上,生物质前处理和改性的合适与否,直接影响到加工过程的能耗、产能、设备使用寿命与产品质量的规范化与保障。尽一切可能将其中所含有用组成(如木素的多种组分)“吃光用尽”,转化为有用的资源,不能循国外采用的类造纸制浆的改进型蒸煮方法。北京龙木天成木塑技术推广中心 N gjE-fy
   在制备、使用、乃至回收过程中不产生任何二次污染。特别在预处理过程中不产生如造纸过程的“黑液”,而且必须将210℃以下易挥发或分解和炭化的有机物、糖类、半纤维素和木素组成提取出来,为进一步转化为能源和精细化工资源提供便利条件。原则:不能以牺牲资源、能源、水源和生态环境为代价。生物质的前处理应和精细化工同步作为上下游工序通盘考虑。经处理的生物质Biomass如木粉、秸杆、竹粉等主要成分在转化为纤维素和较为稳定的木素组成的同时,获得了漂白、消晶、蓬松化与多孔化的效果。为进一步的精细化工产品的分离提取或转化都提供了方便。(图 略)
5g,t,LLL'R {~0北京龙木天成木塑技术推广中心 u}KB#c$n8a!z)x
    超声化学与纳米催化氧化反应特殊新工艺
n I'q9`3zfO0     ~40℃,0.5小时。消晶、破壁、萃取、氧化/开环等过程同时完成;无黑液产生,化学试剂用量少,材料和能耗低,处理效率高,产品规范、均一、重复性好。
4C.l$J P'g!}4]q0   蔗渣前处理后,脱除糖类及小分子化合物约14~20%,经分离、分析鉴定,滤液中所得到的多糖(主要为木糖、葡萄糖、半乳糖和蔗糖)、半纤维素等,可提取与转化为木糖、乙酰丙酸等高附加值产品,有利于进一步提取或转化为精细化工产品。而纤维素与大部分木素成分仍然被保存下来。基于1989年以来对超声化学反应机理和技术与设备的长期、系统研究,和以苯酚为模型化合物的纳米催化光降解过程的研究,研究开发出全新的技术。 北京龙木天成木塑技术推广中心 bd4jdR
   该技术已经申请两项专利:“用于制备木塑复合材料的甘蔗渣超声前处理方法”和“一种超声波协同纳米TiO2降解糠醛的方法”
kLgQ]^ R0北京龙木天成木塑技术推广中心 5j/K1kg0V!Vw[ E:q4^
    超声干燥(drying) 北京龙木天成木塑技术推广中心 lHg!Sq?B
    干燥是化工、制药、食品等工业中常用的技术,更是高耗能工艺。利用声场具有强化传热、传质作用,超声干燥就成为节能型干燥技术,具有重要的技术、经济价值。Gallego-Juarez J.A.等对比研究了超声波与常规热气流对食品干燥的效果,发现采用高频超声可以在短时间内使样品含水量达到1 %以下,耗能少,产品质量高,并且稳定。Boucher采用超声波干燥蔗糖,可使含水率达到 1.2%,当将蔗糖在超声下继续处理16分钟,将去除所有水分。
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    超声灭菌(sterilization) 北京龙木天成木塑技术推广中心 by/lG{
    采用高温灭菌会引起食品风味恶化等质量问题。例如:高温灭菌会使食品的质地、风味、颜色、味道和营养成分的改变。超声灭菌是一种有效的非热处理的灭菌方法。超声灭菌是利用超声空穴现象产生的剪切力能机械地破碎细胞壁和加快物质转移的原理。杀菌所用超声波频率一般为20~100KHz,能量为104 kwcm-2,波长为3.0~7.5cm. Villamiel等对比研究超声灭菌和传统灭菌法对奶制品的作用效果,结果发现在相同的实验条件下,超声灭菌效果较好。对于固体生物质(如木/竹粉、蔗炸、秸杆等)而言,同样是不破坏其组织结构的灭菌方法。
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\ vy2r["M0    二、处理排放污水无害化处理北京龙木天成木塑技术推广中心 ,BC$x1r H.m
    处理蔗渣及竹粉的实例。对比图片和残液成分分析(图 略)。
m go v1g:ba/~0    北京龙木天成木塑技术推广中心 "h+x1[[W%Q0`
    三、强化挤出北京龙木天成木塑技术推广中心 "? l5h`]4a
    利用功率超声振动形成的能量使物质的一些物理、化学、生物特性或状态发生改变,或者使这种改变过程加快。在金属凝固过程中施加功率超声,是改善凝固组织、提高材料机械性能的最有效方法之一。超声熔体处理技术避免了采用加入变质剂细化晶粒时,变质剂与熔体中的气体之间的反应,并且通过超声振动使熔体得到进一步除气净化,对于结晶型高分子或其合金,当然具有相类似的作用。
:?2k\ j7Q0    在超声波应用于挤出成型方面,超声波对聚合物熔体各方面性能的研究已比较深入。四川大学材料工程国家重点实验室针对超声波聚合物降解和聚合物共混挤出进行了深入研究。在超声波降解过程中,超声波能减小聚合物熔体的分子量,使结晶温度升高,也能降低熔体表观粘度,导致拉伸强度下降;在超声波聚合物共混挤出成型过程中,超声波能使混合粒子尺寸减小,分布更为均匀,改善共混物的机械性能,也能影响晶核生长行为,增加结晶温度和结晶度,同时还能明显降低共混物的口模压力和熔体表观粘度,改善流动性能。 北京龙木天成木塑技术推广中心 Dq!y*A!lC,e$g&C
    在超声塑化方面,超声波对聚合物熔体的塑化质量研究尚处於起步阶段。德国亚琛大学IKV研究所将超声波引入到聚合物的微量塑化过程中,改善了聚合物的塑化质量,得到了具有良好均质性的聚合物;湖北工学院将超声波、机械振动和高剪切微磨引入到聚合物的塑化过程,发现一定频率的超声波对聚烯烃的结晶起着积极的作用,聚合物的塑化效果良好。
0H)B6Te{ g J0    聚合物超声波熔融塑化过程存在三个生热效应,即摩擦生热效应、粘弹性热效应以及超声空化效应。摩擦生热效应与超声波声压幅值、超声波频率以及聚合物的摩擦系数成正比;粘弹性热效应与应力、应变、应力和应变的相位角以及超声波频率成正比;超声波空化效应在较低的超声波频率(20KHz)、一定的超声波声压幅值(1.4MPa)、较低的塑化压力(1.25MPa)和适宜的聚合物熔体运动粘度(1.2685m2/s)情况下更加剧烈。
GjM!r Hqo0    高密度聚乙烯从熔体冷却结晶时,在无应力或流动情况下倾向於生成球晶,从图中可以看出两种塑化方式得到的物料由于自然冷却过程中没有应力或流动,所以它们都生成球晶,但是两种球晶的大小有很大差距。加热熔融塑化生成的球晶比较大,直径有500左右,而超声塑化生成的球晶就比较小,直径只有200左右。因此超声波熔融塑化得到的聚合物样品晶粒更小,更均匀;从图中还可以看出,超声塑化的聚合物微观组织结构比加热熔融塑化聚合物的微观组织结构更均匀,超声波塑化效果比加热熔融塑化效果更好。(图 略)
2Vt)Z)A5Di0北京龙木天成木塑技术推广中心 t9H:M7Wbd,l
    四、无尘切割与焊接北京龙木天成木塑技术推广中心 S'^"K-[7mMg"mM.?!U
    超声切割技术在复合材料加工领域的应用北京龙木天成木塑技术推广中心 ]r)z9C,v3D:kZ
    利用超声振动的能量对材料进行切割的理念,在国外很早就得到了重视。但直到上世纪90年代,奥地利GFM公司才将这一概念实际应用于航空材料加工领域,开始对多种复合材料进行超声切割。该项技术的应用至今已有近20年了,欧洲和美国的各大飞机制造厂和航空复合材料的研发生产企业都已广泛地采用超声切割设备用于生产。然而在国内,这一技术仍处于所知较少的初期应用阶段。
x&v%J7G5Q3|5g0北京龙木天成木塑技术推广中心 \*XG7UK U*NW
    超声切割的基本概念
v9B O8q\$v8s0  超声切割技术是近20年兴起的一项工艺技术,目的在于更有效、更精确地加工在航空制造领域得到越来越广泛应用的复合材料,如玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝材料、预浸纤维材料和各种泡沫材料等。北京龙木天成木塑技术推广中心 0~2N9H2iL+a l%w
    不同于传统的高速铣钻工艺,超声切割技术的核心是超声切割头,其基本原理是利用一个电子超声发生器,先产生频率在20~30kHz范围内的超声波,然后通过置于超声切割头内的超声-机械转换器,将原本振幅和能量都很小的超声振动转换成同频率的机械振动,再通过共振放大,得到足够大的、可以满足切割工件要求的振幅和能量(功率),最后将这部分能量传导至超声切割头顶端的刀具上,对上述复合材料进行切割加工。直刃刀加工示意图略
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Wq,p^ u0    超声切割技术与传统加工技术的区别
n(B z)b1x?VU0    1、与传统高速铣削在加工蜂窝材料时的区别北京龙木天成木塑技术推广中心 1dCO6`5}eR{LT/_6A
  传统高速铣钻工艺的基本原理是利用机床主轴产生高速转动,再通过铣头(或钻头)沿工件边缘将材料打碎,从而使工件得以成形或分离。这种加工方式由于刀具的高速转动引起的材料破损,会在加工区域产生大量粉尘,同时高速转动的刀具还会使工件表面留下毛刺。此外,进刀时主轴侧向力的作用会对工件材料造成短暂的变形,从而影响工件的形面质量和尺寸精度。最后,由于主轴侧向力的影响,工件与工作台之间的固定方法(相当于加工金属工件时的装卡)往往会由于采用结合力较强的化学胶粘剂而变得非常复杂。加工完毕后,去除胶粘剂的过程不仅耗时、污染环境,还会损坏已经加工好的工件,导致成本上升。
3k'j5r!g1g S+e0    超声切割的过程则完全不同。首先,超声切割的关键在于“切割”,而非常规机床的“切削”。形象地说,超声切割就如同用剪刀剪纸或用裁刀切割皮革一样,不会产生工件的碎屑。而与常规“剪、裁”相比,超声切割头可以在剪刀或裁刀上施加20~30kHz的振动能量,以帮助打开材料内部的分子结构。恰恰由于这一特性,在切割过程中刀具可以更容易地将材料分割开,其切割速度要比传统的铣加工大得多。北京龙木天成木塑技术推广中心 V]FcOECy
  其次,由于不存在将材料打碎的问题,超声切割完全不会产生粉尘,可以免去安装防尘、除尘设备的费用。北京龙木天成木塑技术推广中心 E7if5KTw*jT|
  第三,超声切割由于大大减小了侧向进给力,故除了不产生工件形变之外,还能使材料的装卡固定非常简单方便,仅用真空吸附或胶纸粘合即可。因此,使用超声切割技术可以为用户赢得更高的切割效率、更完美的工件质量、更低廉的加工成本和更为优异的环保效果。
6?4_0b O2j0Q0    2、与传统机械刀具在加工纤维材料时的区别北京龙木天成木塑技术推广中心 sA!A}&}:C5a$p.S
  传统的纤维材料切割方式包括盘刀裁切、拉刀裁切和往复式刀具的裁切。它们共同的缺点包括:北京龙木天成木塑技术推广中心 I2g F O&ek?RZ$N"tvY
    (1)切割效率低。由于传统机械刀具在加工时单纯依靠拉、滚或刀具的往复运动断开工件材料,切割速度受到限制。
!n8X S2g5v0  (2)切割精度差。刀具裁切过程中侧向力较大,容易造成工件材料变形,直接影响形面精度,此外一些微小形面也不易加工。北京龙木天成木塑技术推广中心 o0i9WGYs
  (3)粘刀。传统机械加工在裁切过程中的摩擦和热效应往往会出现粘刀的现象,造成切割质量下降。北京龙木天成木塑技术推广中心 v UkSQU9NG(P {
  (4)刀具和切割头损耗大。由于裁切过程中机械摩擦力大,刀具和切割头的损耗都很大,所以寿命有限,维修保养成本也高。北京龙木天成木塑技术推广中心 -uT{9f3]I%A
  (5)裁切限制。传统切割方式最大的弱点是无法加工某些高韧性的材料。最典型的案例就是传统切割方式无法胜任对于凯夫拉材料和目前兴起的干性UD材料的加工。北京龙木天成木塑技术推广中心 "tj@i,_3r1g
    超声裁床可以将超声振动能量加载在切割刀具上,根据超声切割的基本原理,该能量可以有效地击碎纤维材料的边界,从而使上述传统裁切方式所遇到的难题迎刃而解,可以在生产过程中实现多层纤维和预浸料的切割。在切割凯夫拉和干性UD材料时,超声切割也更能发挥其优势。北京龙木天成木塑技术推广中心 k(n d%@'p B:a
    超声切割的具体加工方式 (略)北京龙木天成木塑技术推广中心 IDfp1Cc:d

6k-tz3jQm0  超声切割技术的应用北京龙木天成木塑技术推广中心 #X ag#Ii#aa9uB
  目前,超声切割设备已遍布国外各个飞机和辅材部件生产厂家。从超声切割设备及超声切割应用技术研发的角度来讲,奥地利的GFM公司处在领先的地位,该公司的设备及技术的应用最为广泛。超声切割设备主要有以下3类:
9o"yl3U8j;`Q3E)x1V0    1、大型桥式超声切割设备;
&V!{0l)I*{Y0  此类设备的特点是将超声切割头安装在传统的桥式龙门结构上,以获得充分的加工区域。此类设备X行程可达4m甚至更长,Y行程可达2m以上,特别是Z行程,可以达到1m以上。采用这类设备,可以对尺寸较大的预成型工件进行超声切割加工,也可以对固化后的大型复合结构工件进行切边和打孔。另外,在加装真空工作台后,还可以在同一台机床上对生蜂窝进行三维切割,从而获得一机多用的效果。目前,国内航空企业已纷纷开始引进这类设备。在国外,波音公司、庞巴迪公司、洛克希德•\u39532X丁公司等也都引进了此类设备。北京龙木天成木塑技术推广中心 "B`)Y;sP_S}
    2、三维固定台面式超声切割设备北京龙木天成木塑技术推广中心 s:c-u#a`s
  此类设备专门用来加工蜂窝材料。由于该设备配备真空工作台,加工时可以方便地将蜂窝材料固定在工作台上,然后通过GFM公司专门开发的加工软件对工件进行三维加工。此类设备在空客、阿莱尼亚公司、波音公司、欧洲复材公司、赫氏公司、洛克希德•马丁公司等得到了广泛的应用。
f\;}g!GDT6?G0    3 二维固定台面式/移动台面式超声切割设备
?Dr.`\!a ~ Q-E0  此类设备最适合加工各种纤维材料,例如单层或多层干性UD纤维、单层或多层玻璃或凯夫拉纤维、单层或多层预浸料等。这类设备也采用真空工作台固定原材料,但由于纤维材料工件的制造批量大、种类多,对加工效率要求很高,因此此类设备通常可配备数控传送带系统,以自动进行移动台面式加工。在加工完成之后,由自动上/下料系统将已完成的工件自动传送至下料区,同时将待加工的材料传至工作区,再由机床数控系统自动进行排样、下料并在原材料表面粘贴工件标记,再开始新一轮的加工。此类设备可根据用户要求来设计制造工作台面,目前GFM公司提供的最大设备的加工区长度为25m,宽度为5m,加工效率非常高。此类设备已广泛应用于空客、阿莱尼亚公司、阿古斯塔公司、庞巴迪/肖特公司、波音公司等。
北京龙木天成木塑技术推广中心 :l+bF ?*L |5_4jJ7K

北京龙木天成木塑技术推广中心 !H6a?m+G_

    图:经超声切割的纤维材料
p8js1l a-m2QU+o0  由于超声切割技术的切割质量优异,具有无毛刺、无刀具磨损、无炭化材料、侧向切割力小、加工速度快、加工精度高、无粉尘污染、可切割凯夫拉和UD纤维等优势,在国外已得到广泛应用。目前,国内航空企业也开始采用这项技术用于生产,其应用前景令人鼓舞,相信这项技术必将推动我国航空制造技术,特别是复合材料制造技术的进一步提高。
H F7C*M-O+f/@9A0    超声波塑料焊接(略)

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