RU2774244C2 - Apparatus for ultrasonic impregnation of multilayer fibrous materials - Google Patents
Apparatus for ultrasonic impregnation of multilayer fibrous materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2774244C2 RU2774244C2 RU2020141347A RU2020141347A RU2774244C2 RU 2774244 C2 RU2774244 C2 RU 2774244C2 RU 2020141347 A RU2020141347 A RU 2020141347A RU 2020141347 A RU2020141347 A RU 2020141347A RU 2774244 C2 RU2774244 C2 RU 2774244C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working tool
- binder
- bath
- ultrasonic
- impregnation
- Prior art date
Links
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 38
- 239000000945 filler Substances 0.000 abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 abstract description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 abstract 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 abstract 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 abstract 1
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 abstract 1
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 3
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 210000001736 Capillaries Anatomy 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- -1 organoplastics Substances 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам ультразвуковой пропитки многослойных волокнистых материалов различными полимерными связующими и может быть использовано в производстве препрегов из волокнистых композиционных материалов (стеклопластиков, органопластиков, углепластиков, в том числе и многослойных) для машиностроительной, авиационной, судостроительной, нефтегазовой и строительной промышленности и бытовых целей.The invention relates to devices for ultrasonic impregnation of multilayer fibrous materials with various polymeric binders and can be used in the production of prepregs from fibrous composite materials (fiberglass, organoplastics, carbon fiber, including multilayer) for engineering, aviation, shipbuilding, oil and gas and construction industries and domestic purposes .
Известно устройство для пропитки волокнистых армирующих материалов [А.с. №1780852 СССР, МПК В05В 17/06, В05С 5/02. Устройство для пропитки волокнистых армирующих материалов / Курочкин Е.А., Романов Д.А., Смыслов В.И., Шалыгин В.Н., Орлова В.П., Карасик В.Н., Лебедев А.Б.; заявитель и патентообладатель Ленинградский механический институт им. маршала Советского Союза Устинова Д.Ф. - №4832017, заявл. 29.05.1990; опубл. 15.12.1992 г.], содержащее излучатель ультразвуковых колебаний и клинообразный концентратор колебаний с криволинейными боковыми поверхностями и внутренними каналами, выполненными в плоскости его симметрии, по которым движется связующее, подвергаясь ультразвуковому воздействию, что увеличивает его напор на поверхность армирующего волокнистого материала, интенсифицируя пропитку.A device for the impregnation of fibrous reinforcing materials [AS. No. 1780852 USSR, IPC B05V 17/06, B05C 5/02. Device for impregnation of fibrous reinforcing materials / Kurochkin E.A., Romanov D.A., Smyslov V.I., Shalygin V.N., Orlova V.P., Karasik V.N., Lebedev A.B.; applicant and patentee Leningrad Mechanical Institute. Marshal of the Soviet Union Ustinov D.F. - No. 4832017, application. May 29, 1990; publ. 12/15/1992], containing an ultrasonic vibration emitter and a wedge-shaped vibration concentrator with curved side surfaces and internal channels made in the plane of its symmetry, along which the binder moves, being subjected to ultrasonic action, which increases its pressure on the surface of the reinforcing fibrous material, intensifying impregnation .
Недостатком данного устройства является сложность конструкции концентратора ультразвуковых колебаний и воздействие ультразвуковых колебаний только на связующее, причем до момента его контакта с волокнистым связующим.The disadvantage of this device is the complexity of the design of the concentrator of ultrasonic vibrations and the effect of ultrasonic vibrations only on the binder, and until its contact with the fibrous binder.
Известно устройство для ультразвуковой пропитки [Пат. №2224649 Российская Федерация, МПК В29В 15/10, C08J 7/18, В05С 3/12. Устройство ультразвуковой пропитки / Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Сливин А.Н., Хмелев М.В.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова. №2003104729/15; заявл. 17.02.2003; опубл. 27.02.2004], содержащее ванну со связующим, ультразвуковую колебательную систему, состоящую из концентратора колебаний и рабочего инструмента, выполненного в виде пластины со скругленными краями и криволинейной излучающей поверхностью, погруженного в связующее.A device for ultrasonic impregnation [US Pat. No. 2224649 Russian Federation, IPC В29В 15/10, C08J 7/18, В05С 3/12. Ultrasonic impregnation device / Khmelev V.N., Barsukov R.V., Tsyganok S.N., Slivin A.N., Khmelev M.V.; applicant and patent holder GOUVPO Altai State Technical University. I.I. Polzunov. No. 2003104729/15; dec. 02/17/2003; publ. February 27, 2004], containing a bath with a binder, an ultrasonic vibrating system consisting of a vibration concentrator and a working tool made in the form of a plate with rounded edges and a curved radiating surface, immersed in the binder.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность процесса пропитки, обусловленная кратковременным контактом наполнителя с излучающей поверхностью рабочего инструмента. Наполнитель обрабатывается ультразвуком локально в то время, когда он контактирует с излучающей поверхностью рабочего инструмента, установленного на выходе наполнителя из связующего. Все остальное время перемещения наполнителя через связующее в пропиточной ванне он пропитывается за счет капиллярного эффекта достаточно вязким связующим, которое не подвергается воздействию ультразвука.The disadvantage of this device is the low efficiency of the impregnation process, due to the short-term contact of the filler with the radiating surface of the working tool. The filler is processed by ultrasound locally at the time when it contacts with the radiating surface of the working tool installed at the outlet of the filler from the binder. The rest of the time the filler moves through the binder in the impregnating bath, it is impregnated due to the capillary effect with a sufficiently viscous binder that is not exposed to ultrasound.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для ультразвуковой пропитки волокнистых материалов [Пат. №2538873 Российская Федерация, МПК В05С 3/12. Устройство для ультразвуковой пропитки волокнистых материалов / Красновский А.Н., Казаков И.А., Шурко А.Н.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». - №2013140043; заявл. 29.08.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. №1], содержащее ванну со связующим средством, в которой установлены прижимные ролики, концентратор колебаний и рабочий инструмент, установленный в ванне в герметичном стакане ортогонально к обрабатываемой поверхности волокнистого материала и выполненный в виде пластины со скругленными краями и криволинейной излучающей поверхностью.Closest to the claimed is a device for ultrasonic impregnation of fibrous materials [US Pat. No. 2538873 Russian Federation, IPC
Недостатком данного устройства является низкая эффективность процесса пропитки, обусловленная рассеиванием ультразвуковых колебаний в результате отражения от стенок ванны и созданием встречных микропотоков связующего, что сказывается на качестве заполнения связующим наполнителя и требует дополнительного механического продавливания связующего в структуру наполнителя.The disadvantage of this device is the low efficiency of the impregnation process, due to the dispersion of ultrasonic vibrations as a result of reflection from the walls of the bath and the creation of counter microflows of the binder, which affects the quality of filling the filler with a binder and requires additional mechanical punching of the binder into the filler structure.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса пропитки многослойных волокнистых материалов и равномерности распределения связующего в структуре волокнистого наполнителя за счет попеременного воздействия ультразвуковых колебаний.The technical result of the invention is to increase the efficiency of the process of impregnation of multilayer fibrous materials and the uniformity of distribution of the binder in the structure of the fibrous filler due to the alternating exposure to ultrasonic vibrations.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для ультразвуковой пропитки многослойных волокнистых материалов, содержащем ванну для связующего, приводные ролики, концентратор колебаний и рабочий инструмент, установленный в ванне в виде герметичного корпуса с размещенным в нем концентратора колебаний и выполненный в виде пластин с излучающей поверхностью, согласно изобретению, рабочий инструмент с концентратором колебаний и излучающей плоской поверхностью выполнен в виде рядного набора герметичных корпусов, расположенных в ванне со связующим в параллельных рядных плоскостях по обеим сторонам и параллельно плоскости позиционирования движущегося полотна обрабатываемого многослойного волокнистого материала, представляющих собой чередование излучающих ультразвуковые колебания плоских пластин в составе герметичного корпуса и с промежутками между герметичными корпусами таким образом, что каждая излучающая поверхность герметичного корпуса рабочего инструмента верхнего ряда установлена противоположно пустого промежутка нижнего ряда излучающей поверхности герметичного корпуса рабочего инструмента, полностью перекрывая пространство между излучающими пластинами каждого герметичного корпуса рабочего инструмента противоположного ряда.The specified technical result is achieved by the fact that in a device for ultrasonic impregnation of multilayer fibrous materials, containing a bath for a binder, drive rollers, a vibration concentrator and a working tool installed in the bath in the form of a sealed housing with a vibration concentrator placed in it and made in the form of plates with a radiating surface, according to the invention, a working tool with a vibration concentrator and a radiating flat surface is made in the form of an in-line set of sealed housings located in a bath with a binder in parallel in-line planes on both sides and parallel to the positioning plane of the moving web of the processed multilayer fibrous material, which is an alternation of emitting ultrasonic vibrations of flat plates in the hermetic housing and with gaps between the hermetic housings in such a way that each radiating surface of the hermetic housing of the working tool of the upper row installed opposite to the empty gap of the lower row of the radiating surface of the sealed body of the working tool, completely covering the space between the radiating plates of each sealed body of the working tool of the opposite row.
Технический результат изобретения достигается за счет попеременного воздействия ультразвуковых колебаний и возможности уменьшения на 50% амплитуды колебаний на свободные участки обрабатываемого многослойного волокнистого материала, создаваемых рабочими поверхностями рабочего инструмента в виде чередующихся пластин, расположенных по обеим сторонам обрабатываемого материала.The technical result of the invention is achieved due to the alternating impact of ultrasonic vibrations and the possibility of reducing the vibration amplitude by 50% on the free areas of the processed multilayer fibrous material, created by the working surfaces of the working tool in the form of alternating plates located on both sides of the processed material.
Ультразвуковое воздействие приводит к возникновению в связующем кавитационных явлений, заключающихся в резком схлопывании пузырьков и вызывающих сильные гидродинамические возмущения в жидкости, сопровождающиеся мощными микропотоками. Кроме того, в пузырьках происходит разогрев парогазовой смеси, что в свою очередь снижает вязкость связующего и облегчает его проникновение в структуру волокнистого материала. В отличие от прототипа, в заявляемом устройстве не происходит движения потоков связующего навстречу потокам, создаваемым рабочим инструментом, приводя к постоянному движению жидкости в объеме материала. При этом уменьшение амплитуды колебаний ультразвукового воздействия приводит к тому, что в процессе обработки связующее, находящееся во внутренних областях структуры многослойного волокнистого материала, уже не подвергается гидродинамическому воздействию, в то время как в областях у поверхности субстрата кавитационные эффекты продолжают воздействовать на связующее. В результате происходит интенсивное и равномерное распределение связующего в структуре волокнистого материала, что приводит к повышению эффективности процесса пропитки многослойных волокнистых материалов и равномерности распределения связующего в структуре волокнистого наполнителя за счет попеременного воздействия ультразвуковых колебаний.Ultrasonic action leads to the occurrence of cavitation phenomena in the binder, consisting in a sharp collapse of bubbles and causing strong hydrodynamic disturbances in the liquid, accompanied by powerful microflows. In addition, the vapor-gas mixture is heated in the bubbles, which in turn reduces the viscosity of the binder and facilitates its penetration into the structure of the fibrous material. Unlike the prototype, in the claimed device there is no movement of the binder flows towards the flows created by the working tool, leading to a constant movement of fluid in the volume of the material. At the same time, a decrease in the amplitude of vibrations of ultrasonic action leads to the fact that during processing, the binder located in the inner regions of the structure of the multilayer fibrous material is no longer subjected to hydrodynamic action, while cavitation effects continue to affect the binder in areas near the surface of the substrate. As a result, there is an intensive and uniform distribution of the binder in the structure of the fibrous material, which leads to an increase in the efficiency of the process of impregnation of multilayer fibrous materials and the uniformity of the distribution of the binder in the structure of the fibrous filler due to the alternating effect of ultrasonic vibrations.
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства, на фиг. 2 - поперечный разрез устройства по сечению А-А.In FIG. 1 shows a general view of the proposed device, Fig. 2 is a cross section of the device along the section A-A.
Устройство для пропитки содержит ванну 1, установленные в ней приводные ролики 2. Герметичный корпус 4 рабочего инструмента с концентратором колебаний 3 и излучающей плоской поверхностью, выполнен в виде рядного набора герметичных корпусов, расположенных в ванне со связующим 6 в параллельных рядных плоскостях по обеим сторонам и параллельно плоскости позиционирования движущегося полотна 5 обрабатываемого многослойного волокнистого материала, представляющих собой чередование излучающих ультразвуковые колебания плоских пластин в составе герметичного корпуса 4 и с промежутками между герметичными корпусами 4 таким образом, что каждая излучающая поверхность рабочего инструмента верхнего ряда установлена противоположно пустого промежутка нижнего ряда излучающей поверхности герметичного корпуса 4 рабочего инструмента, полностью перекрывая пространство между излучающими пластинами каждого герметичного корпуса рабочего инструмента противоположного ряда.The impregnation device comprises a
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Волокнистый многослойный материал 5 перемещается в ванне 1 со связующим 6 между приводными роликами 2 и между излучающими пластинами герметичного корпуса 4 рабочего инструмента, расположенными по обеим сторонам обрабатываемого материала 5. Концентратор колебаний 3 создает за счет ультразвукового воздействия кавитационные явления в объеме связующего 6. Возникающие в результате этого гидродинамические возмущения приводят к образованию интенсивных микропотоков связующего 6 в пористой структуре волокнистого материала 5.The
Расположение излучающих пластин герметичного корпуса 4 рабочего инструмента по обеим сторонам многослойного волокнистого материала позволяет избежать встречных резонансных потоков связующего 6, отрицательно влияющих на степень распределения связующего в объеме пористой структуры полотна 5 многослойного волокнистого материала за счет возможности уменьшения амплитуды ультразвуковых колебаний на 50%, что в процессе обработки позволяет равномерно распределять связующее в структуре волокнистого материала по его объему за счет того, что кавитационные явления в этом случае будут возникать, перемещаясь постепенно к поверхностным слоям материала.The location of the radiating plates of the sealed
Кроме того, в образовавшихся газовых пузырьках происходит разогрев парогазовой смеси, что в свою очередь снижает вязкость связующего и облегчает его проникновение в структуру волокнистого материала.In addition, in the resulting gas bubbles, the vapor-gas mixture is heated, which in turn reduces the viscosity of the binder and facilitates its penetration into the structure of the fibrous material.
Уменьшение амплитуды ультразвуковых колебаний в процессе обработки приводит к тому, что кавитационные явления, обуславливающие гидродинамические микропотоки, возникают не во всем объеме многослойного волокнистого материала, а в его поверхностных областях.The decrease in the amplitude of ultrasonic vibrations during processing leads to the fact that cavitation phenomena that cause hydrodynamic microflows do not occur in the entire volume of the multilayer fibrous material, but in its surface areas.
Весь комплекс описанных явлений приводит к существенной интенсификации массообменных процессов, повышению эффективности процесса пропитки многослойных волокнистых материалов и равномерности распределения связующего в структуре наполнителя при изготовлении препрегов композитных материалов.The whole complex of the described phenomena leads to a significant intensification of mass transfer processes, an increase in the efficiency of the process of impregnation of multilayer fibrous materials and the uniformity of the distribution of the binder in the structure of the filler in the manufacture of prepregs of composite materials.
Таким образом, предлагаемое устройство повышает эффективность процесса пропитки многослойных волокнистых материалов и качество распределения связующего в структуре препрега.Thus, the proposed device increases the efficiency of the process of impregnation of multilayer fibrous materials and the quality of distribution of the binder in the structure of the prepreg.
Claims (1)
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020141347A RU2020141347A (en) | 2022-06-15 |
RU2774244C2 true RU2774244C2 (en) | 2022-06-16 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU243694A1 (en) * | Тбилисский научно исследовательский электротехнический институт | |||
US4689244A (en) * | 1986-05-08 | 1987-08-25 | A. O. Smith Corporation | Ultrasonically speeded fiber impregnation |
RU2224649C1 (en) * | 2003-02-17 | 2004-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" | Device for ultrasonic impregnation |
RU94507U1 (en) * | 2010-01-18 | 2010-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | BINDER IMPREGNATION DEVICE |
RU2538873C1 (en) * | 2013-08-29 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | Device for ultrasonic soaking of fibrous materials |
RU190727U1 (en) * | 2019-04-01 | 2019-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Apparatus for producing a composite material |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU243694A1 (en) * | Тбилисский научно исследовательский электротехнический институт | |||
US4689244A (en) * | 1986-05-08 | 1987-08-25 | A. O. Smith Corporation | Ultrasonically speeded fiber impregnation |
RU2224649C1 (en) * | 2003-02-17 | 2004-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" | Device for ultrasonic impregnation |
RU2003104729A (en) * | 2003-02-17 | 2004-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова | ULTRASONIC IMPREGNATION DEVICE |
RU94507U1 (en) * | 2010-01-18 | 2010-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | BINDER IMPREGNATION DEVICE |
RU2538873C1 (en) * | 2013-08-29 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | Device for ultrasonic soaking of fibrous materials |
RU190727U1 (en) * | 2019-04-01 | 2019-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") | Apparatus for producing a composite material |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1010796B1 (en) | Process and device for the continuous ultrasound washing of textile materials | |
US11331667B2 (en) | Apparatus and method for positioning particles inside a channel | |
RU2774244C2 (en) | Apparatus for ultrasonic impregnation of multilayer fibrous materials | |
US4000086A (en) | Method of and apparatus for emulsification | |
US2661192A (en) | Means for treating materials with intense alternating shear forces | |
WO2006104462A1 (en) | Improvements to viscosity reduction means in oil products | |
Khmelev et al. | Optimization of these modes and conditions of ultrasonic influence on various technological mediums by mathematical modeling | |
Kolosov et al. | Simulation of the parameters of an ultrasonic dosed cavitator with radiative plate. Part 1. Analysis of effective technical means of ultrasonic exposure and a technique of variant structural-parametric design | |
Khmelev et al. | Evaluation of optimum modes and conditions of ultrasonic cavitation influence on high-viscous and non-newtonian liquid mediums. | |
KR100522453B1 (en) | Method for impregnation of matters in wood utilizing sound vibration energy | |
US4126547A (en) | Ultrasonic oil spill removal | |
RU201996U1 (en) | DEVICE FOR APPLICATION OF NANOPARTICLES ON TEXTILES | |
Kolosov et al. | Classical thermoset epoxy composites for structural purposes: designing, preparation, properties and applications | |
RU2224649C1 (en) | Device for ultrasonic impregnation | |
RU2538873C1 (en) | Device for ultrasonic soaking of fibrous materials | |
Khmelev et al. | Study of efficiency of ultrasonic treatment in running volumes | |
RU141803U1 (en) | ULTRASONIC FLOWING MACHINE | |
Park et al. | Direct Visualization of Microscale Dynamics of Water Droplets on under-Oil-Hydrophilic Membranes by Using Synchrotron White-Beam X-ray Microimaging Techniques | |
KR100215322B1 (en) | Ultrasonically assisted coating apparatus and method | |
Wang et al. | Tailoring Structural Property and Surface Wettability of Omniphobic Membranes for Superhigh Flux and Competent Wetting Resistance in Membrane Distillation | |
US6942904B2 (en) | Dry end surface treatment using ultrasonic transducers | |
Park et al. | Vibration-based surface treatment considering viscous penetration length | |
CN217473353U (en) | Post-treatment ultrasonic stable dispersion device | |
RU190727U1 (en) | Apparatus for producing a composite material | |
RU2641738C2 (en) | Method for separation of gas-liquid mixture and device for its implementation |