Вакуумная камера для дегазации: подбор под смолу и силикон

В вакуумной камере из жидкой смолы или силикона удаляют газ перед заливкой. Давление над материалом снижается, пузырьки растут и выходят к поверхности. Камера обеспечивает герметичный объём, а насос откачивает поступающий газ; поведение смеси определяется её вязкостью, составом, температурой и стадией отверждения.

При подборе установки сначала выбирают материал и размер партии. По ним определяют рабочую тару, необходимое управление откачкой и защиту насосного тракта.

Как происходит вспенивание

Во время смешивания в материал попадает воздух. В густой смеси пузырьки удерживаются долго, поскольку вязкость мешает им двигаться. При откачке внешнее давление уменьшается, пузырьки расширяются, и объём смеси временно возрастает. На поверхности образуется пена. Когда пузырьки лопаются и газ удаляется, уровень падает.

Такую последовательность — подъём, разрушение пены и спад — описывает изготовитель силиконов Smooth-Sil.[1] Скорость и высота подъёма зависят от материала и смешивания. Нельзя заранее считать, что любой силикон расширится одинаково, а любая смола вообще не поднимется.

Пузырькам легче выйти из неглубокого слоя, но выбор тары ограничен удобством перемешивания и дальнейшей заливки. В рабочей ёмкости должны оставаться свободная высота и место для безопасного захвата. Важен именно край ёмкости: высокая камера не удержит пену внутри слишком маленького стакана.

Первую пробу неизвестного состава проводят на небольшой партии с наблюдением за уровнем. Откачку регулируют так, чтобы материал не попал в линию. После спада пены можно продолжить обработку в условиях, установленных для этого материала.

Чем выделение газа отличается от испарения

Смесь содержит не только видимые пузырьки. Часть газа растворена в жидких компонентах и выделяется при снижении давления. Поэтому новые пузырьки могут появляться после выхода воздуха, захваченного мешалкой.[2]

Другая причина — удаление воды, растворителя или другого летучего вещества. Испарение с поверхности возможно и без кипения. При снижении внешнего давления уменьшается температура кипения, поэтому жидкость может начать кипеть без дополнительного нагрева.[4] Паровые пузырьки тоже способны вызвать бурное вспенивание. Отличить их от выделяющегося газа по одному виду пены бывает трудно.

Если пузырьки долго образуются без заметного затухания, материал теряет массу или в тракте появляется конденсат, нужно проверить источник паров. Продолжительная откачка летучего компонента способна изменить свойства состава. Здесь более глубокий вакуум не обязательно улучшает качество.

Нагрев одновременно снижает вязкость, усиливает испарение и меняет скорость отверждения. Его применяют после проверки всех этих последствий. Подогревать неизвестную смесь ради быстрого исчезновения пузырьков не следует.

Что учитывать у эпоксидной смолы

После смешивания эпоксидной смолы с отвердителем начинается реакция. По мере её развития вязкость увеличивается, и пузырькам становится труднее выйти. У крупной партии выделяемое тепло хуже рассеивается, смесь разогревается, а отверждение ускоряется. Поэтому дегазацию предусматривают в начале технологического маршрута, оставляя время для заполнения формы.

Если смола слишком густая для узких полостей, выбор более текучего состава может оказаться полезнее увеличения выдержки. Вакуум удаляет газ, но не заставляет загустевший материал свободно проходить в любой зазор. Особенно это заметно у наполненных компаундов и паст.

Отдельно проверяют влагу в форме и на наполнителе. После подготовки жидкой смеси газ может появиться уже при контакте с влажной поверхностью или при нагреве во время отверждения. Такие дефекты разбирают вместе с подготовкой оснастки.

Произвольно добавлять растворитель для снижения вязкости нельзя. Он меняет рецептуру, добавляет паровую нагрузку на насос и может оставить поры после отверждения. Для материала выбирают разрешённые добавки или другой состав с подходящей текучестью.

Что учитывать у силикона

Для силикона важны тип отверждения и совместимость с моделью. У платиновых силиконов некоторые загрязнения поверхности подавляют отверждение. В бюллетене Smooth-Sil названы, в частности, латекс, серосодержащий пластилин и силиконы оловянного отверждения.[1] Если возле модели остаётся липкий слой, нужно исследовать совместимость. Удаление воздуха из смеси само по себе такой дефект не устраняет.

В той же серии хорошо видна зависимость выбора от марки. Для Smooth-Sil 940 указаны вязкость смеси 35 000 сП и время жизни 30 минут; изготовитель рекомендует хранить и применять материал при 23 °C и предупреждает о сокращении рабочего времени при повышении температуры.[1] Это характеристики конкретного силикона, а не режим для всей группы материалов.

Заметная часть времени жизни уходит на промешивание, откачку и заливку. Форму подготавливают заранее, чтобы после извлечения ёмкости сразу начать подачу. Даже успешно дегазированный силикон способен снова захватить воздух при разбрызгивании или при заполнении рельефа без пути выхода газа.

Добавки также влияют на свойства готовой формы. Smooth-On указывает, что его Silicone Thinner облегчает заливку и дегазацию, но снижает прочность при растяжении и сопротивление раздиранию.[1] При тонких перемычках формы это существенный компромисс.

Как подобрать камеру и насосный тракт

Размеры камеры определяют по наружным габаритам тары, её устойчивому размещению и траектории загрузки. Нужен обзор уровня материала. Для серии дополнительно учитывают, сколько ёмкостей обрабатывается за цикл и как оператор переносит их к форме.

Насос выбирают по требуемому рабочему давлению и потоку газа, включая пары. Длинная узкая линия замедляет откачку камеры, поэтому паспортная быстрота насоса не описывает весь комплект. Регулирующий клапан помогает пройти подъём пены, а управляемый напуск позволяет вернуть атмосферное давление без резкого потока через поверхность смеси.

Давление в записи обозначают однозначно. Абсолютное давление отсчитывается от вакуума; разрежение показывает разность с окружающей атмосферой. Показания на этих шкалах нельзя переносить как одно и то же значение.

Перед насосом ставят ловушку для случайного уноса материала. Для большого потока конденсирующихся паров может потребоваться конденсатор.[2] Ёмкость для жидкости и конденсатор имеют разные задачи: проходящий пар может не задержаться в обычной ловушке.

Пригодность насоса к парам проверяют по его исполнению. Например, руководство Busch R5 RD 0200–0360 A допускает водяной пар в определённых пределах, а откачку других паров требует согласовать с изготовителем.[3] Это условие выбранной серии; обычный насос нельзя считать химически универсальным. Горючие пары дополнительно требуют оценки пригодности всей установки и организованного отвода выхлопа.

Что определяет рабочий режим

Пробу проводят с выбранной тарой, температурой и способом смешивания. Записывают давление в камере, максимальный подъём, время спада пены и полный интервал до окончания заливки. Затем оценивают отверждённый образец: видимые поры, заполнение рельефа, липкость и нужные для детали свойства.

Прекращение активного вспенивания помогает наблюдать процесс, но мелкие пузырьки могут ещё оставаться в толще. Выдержку уточняют по результату на изделии и ограничениям состава. Если смесь уже густеет или теряет летучий компонент, продолжать обработку ради совершенно спокойной поверхности может быть вредно.

Конструкция камеры и прозрачных элементов должна быть рассчитана на внешнее давление. Используют предназначенный для вакуума сосуд, открывают его после выравнивания давления и очищают средствами, совместимыми с крышкой и уплотнениями. После подтверждения процесса сохраняют одинаковые партии и последовательность операций: именно при этих условиях выбранный режим можно повторять.

Источники

[1] Smooth-On. Smooth-Sil Series Technical Bulletin.

[2] Busch. Vacuum degassing.

[3] Busch. R5 RD 0200–0360 A: Conveying Condensable Vapors.

[4] BÜCHI. Five ways to optimize the pressure values of your rotary evaporation.