4.2.1.3. Виробництво радіозондових оболонок

Одним з поширених способів зондування верхніх шарів атмосфери з метою отримання інформації про температуру, вологість, напрям і швидкість вітру є підйом радіозонда за допомогою латексної оболонки.

Стеля зондування, в першу чергу, визначається заввишки, на якій відбувається розрив оболонки.

Теоретичні і експериментальні дослідження дозволили з'ясувати основні чинники, що впливають на висоту підйому радіозондських оболонок. Результати цих досліджень в узагальненому вигляді опубліковані в роботах [32...36].

Нижче буде розглянуто вплив на висоту підйому оболонок тільки тих чинників, які пов'язані з матеріалом плівки оболонок і технологією їх виготовлення, хоча на висоту підйому оболонок роблять вплив атмосферні умови (сонячна радіація, температура повітря, вітер, хмарність, атмосферний озон) і умови випуску оболонок.

Серед основних чинників, що впливають на висоту підйому оболонок і безпосередньо пов'язаних з характеристикою матеріалу оболонки і технологією її виготовлення, є величина подовження при розриві оболонки при низькій (-60°С..,-80°С) температурі і її початковий розмір.

Подовження при розриві оболонки (_обол.) при температурі Т визначається по формулі:

,

де _обр. - подовження при розриві в умовах двовимірної деформації зразка матеріалу оболонки при температурі Т (_обр. визначають на приладі і методом, описаним в роботах [37; 32, с. 39]); М- коефіцієнт, названий чинником якості, є показником дефектності оболонки [32, с.37], що виражається в більшій або меншій відмінності розривних подовжень оболонки і розривних подовжень зразків з того ж матеріалу, що і оболонка. У разі бездефектної оболонки (ідеальний випадок):

У реальних умовах _обол. завжди менше _обр., а чинник якості

.

Чинник якості не залежить від температури [32, с.38].

За інших рівних умов коефіцієнт М залежить від розміру оболонки, зменшуючись з його збільшенням. В цьому випадку його можна розглядати як масштабний чинник.

Разом з тим, для даного розміру оболонок коефіцієнт М залежить від технології виготовлення оболонок. Чим досконало технологічний процес їх виготовлення, тим більше значення коефіцієнта М. Із сказаного витікає, що збільшення висоти підйому радіозондських оболонок може бути здійснене за рахунок збільшення подовження при розриві матеріалу оболонки при низьких температурах і збільшення значення коефіцієнта М- чинника якості.

Чим вище _обр. при низьких температурах і чим вище значення чинника якості М, тим при меншому розмірі оболонок може бути досягнута задана висота підйому оболонки [32, с. 56].

Величина _обр. при низькій температурі залежить від типу полімеру латексу і способів його пластифікації.

Для виготовлення радіозондських оболонок в Росії і більшості зарубіжних країн використовують хлоропренові латекси. В Україні для виготовлення радіозондних оболонок застосовують латекс наїрит Л-7 (розділ 1, розділ 1.2.2.4), полімером якого є зшитий -полимер.

Додаткову структуризацію полімеру цього латексу (вулканізація) здійснюють при тепловій обробці виробу, що виготовляється, без використання вулканізуючих систем.

Враховуючи, що температура оскляння полихлоропрена лежить в межах -39°С...-42°С, а температура повітря при підйомі оболонок досягає -60°С...-80°С, обов'язковою є пластифікація полімеру хлоропренового латексу.

Існує три можливі способи пластифікації полімерів хлоропренових латексів, вживаних при виробництві оболонок:

• набухання вулканізованої оболонки в пластифікаторі;

• введення в латекс емульсії пластифікатора;

• введення пластифікатора при синтезі латексу в мономер хлоропрена перед полімеризацією.

У табл. 4.18 приведені дані [38, 39] про подовження при розриві плівок з хлоропренового латексу, пластифікація якого проводилася різними способами.

Таблиця 4.18

Подовження при розриві вулканізованих плівок з хлоропренового латексу (_обр.) при різних температурах

Спосіб пластифікації і оптимальне дозування пластифікатора	Подовження при розриві () в умовах двовимірного розтягування при температурі °С
	+20	-60	-70
Набухання плівок з латексу наїрит Л-7 в гасі (приріст 30%)	7,2	6,2	5,7
Набухання плівок з латексу наїрит Л-7 в розчині дибутилсебацината (приріст 20%)	7,6	6,4	замерзає
введення емульсії дибутилсебацината у латекс наїрит Л-7 (25 частин маси на 100 частин маси полімеру)	7,0	5,8
Плівки з латексу наїрит ЛП, дибутилсебацинат вводився в хлоропрен перед полімеризацією (25 частин маси на 100 частин маси полімеру)	9,1	6,1	5,8

Спосіб набухання оболонок з латексу Л-7 в рідких вуглеводнях (гас), хоча і дозволяє набувати відносно високого значення подовження при розриві при низьких температурах, не може бути реалізований на заводі-виготівнику оболонок із-за утворення на оболонках при зберіганні дефектів і зниження в результаті чинника якості. Цей спосіб застосовується безпосередньо на аерологічних станціях. Обробка оболонок проводиться за 4...6 годин до випуску оболонок в політ.

Широко вживані в гумовій промисловості такі пластифікатори, як дибутилфталат, дибутилсебацинат, діоктилфталат при введенні в латекс наїрит Л-7 у вигляді емульсій або набуханням оболонок в розчинах цих пластифікаторів по своїй ефективності поступаються пластифікаціями полімеру латексу наїрит Л-7 за допомогою обробки готових виробів гасом.

Найбільш перспективним є застосування латексу наїрит ЛП, при синтезі якого пластифікатор вводився в мономер перед полімеризацією. Плівки оболонок з цього латексу характеризуються високим подовженням при розриві при низьких температурах.

Технологія переробки латексу наїрит ЛП при виробництві радіозондних оболонок не вимагає принципової зміни технологічного процесу, в порівнянні з процесом виготовлення оболонок з латексу наїрит Л-7. При виготовленні оболонок з латексу наїрит ЛП відпадає необхідність обробляти оболонки на аерологічних станціях рідкими вуглеводнями, що особливо істотно для підвищення оперативності зондування атмосфери.

Теоретичні розрахунки, підтверджені експериментальними даними, дозволили встановити, що при подовженні матеріалу оболонки (_обр.) при температурі -60°С рівне 5,5...5,8, для підйому оболонок на висоту 30 км. (середнє значення) необхідно, щоб величина чинника якості М для оболонок діаметром 200 см складала 0,69...0,72. Слід при цьому відзначити, що для досягнення висоти 30 км. оболонками з діаметром 200 см необхідно, крім того, спеціальні умови їх запуску, що забезпечують збільшення швидкості їх підйому в початковий період після запуску [32, с. 58.. .60].

При тих же значеннях _обр. = 5,5...5,8 при температурі -60°, і тому ж значенні чинника якості М средня висота підйому оболонок діаметром 150 см складає 25 км.

Враховуючи, що для матеріалу оболонок з хлоропренового латексу подальше збільшення подовження при розриві при температурах -60°, -70°С понад 5,5...5,8 завдання украй складне, реальний шлях підвищення висоти підйому радіозондських оболонок лежить в збільшенні чинника якості М.

Технологічний процес виготовлення радіозондських оболонок складається з ряду послідовних операцій:

• гелеутворення методом іонного відкладення;

• синерезис гелів;

• роздування гелів стислим повітрям;

• сушка;

• вулканізація.

Специфікою виготовлення радіозондних оболонок є роздування гелів, знятих з форм, і сушка їх в тому, що роздутому складається з подальшим вакуумуванням повітря з висушеної оболонки і її вулканізації. Роздування гелів стислим повітрям дає можливість виготовляти оболонки, розмір яких значно перевершує розмір форм, вживаних при маканні.

Величина чинника якості М залежить від параметрів технологічного процесу.

Чинник якості М істотно залежить від напруги в гелі при його роздуванні [40]. Оптимальне значення напруги в гелі встановлюють дослідним шляхом при певному ступені його роздування, для кожного розміру оболонки.

Стабільне значення напруги в гелі при його роздуванні забезпечує, крім того, стабільну усадку матеріалу оболонки і гарантує постійність її розмірів [41].

Напруга в гелі при роздуванні регулюють тимчасовими режимами синерезиса.

Встановлено також, що основні дефекти, що знижують чинник якості оболонок М, виникають на операціях технологічного процесу, пов'язаних із застосуванням ручної праці [42]. Заміна ручного талькування внутрішньої і зовнішньої поверхні оболонок на механізований спосіб нанесення речовин, що запобігають злипанню плівки оболонки, дозволило збільшити чинник якості М оболонок. На величину чинника якості оболонок М роблять вплив режими їх вулканізації. Вважають, що висока температура вулканізації може бути причиною нерівномірного ступеня вулканізації окремих ділянок плівки оболонки.

Нижче приводяться основні технологічні параметри процесу виробництва радіозондських оболонок з хлоропренового латексу наи-рит Л-7.

Рис.4.42. Фотографія кран-маніпулятора з касетною формою

Для виготовлення радіозондських оболонок методом іонного відкладення застосовують ребристі форми, виготовлені з неіржавіючої сталі. Форми комплектуються в касети, які потім транспортуються краном-маніпулятором від однієї технологічної операції до іншої. На рис. 4.42. приведена фотографія крана-маніпулятора з касетою форм. Як коагуляція використовують розчин хлориду кальцію.

Склад коагуляції %:

хлорид кальцію.................................................... 10;

біла сажа БС-50 (колоїдна кремнекислота)....... 17;

вода....................................................................... 73.

Біла сажа, що міститься у складі коагуляції, виконує роль загусника, а надалі матеріалу, що забезпечує відсутність клейкості внутрішньої поверхні гелю і оболонки.

Кран-маніпулятор транспортує форми до ванни з коагуляцією, занурює їх в коагуляцію і без витримки в нім витягує. Потім, кран-маніпулятор повертає касету з формами на 180° і транспортує її до ванни з латексом. Касета з формами знов повертається на 180° і формах занурюються в латекс.

Час іонного відкладення встановлюється так, щоб товщина гелів була рівною:

• для оболонок діаметром 100 і 150 см- 1,80... 1,90 мм;

• для оболонок діаметром 200 см - 1,65... 1,75 мм.

Після закінчення заданого часу кран-маніпулятор витягує форми з ванни з латексом і транспортує їх до ванн водного синерезиса. Враховуючи, що тривалість процесу синерезиса значно більше часу іонного відкладення, застосовують декілька ванн або одну ванну, розміри якої дозволяють встановити декілька касет з формами одночасно. Час водного синерезиса заздалегідь встановлюють так, щоб при роздуванні гелю для оболонки діаметром 200 см на величину відносного подовження =3,5±0,1, напругу в гелі складало 5,5+0,5 кгс/см², а при роздуванні гелю для оболонки діаметром 150 см на величину відносного подовження =4,1±0,1 напруга в гелі складала 7,5+0,5 кгс/см². Відносне подовження гелю при роздуванні () і напруга, що виникає в гелі (), розраховують за формулами:

де _р - об'єм повітря в роздутому гелі, м³; ₀ - об'єм повітря в гелі, піддутим до початку розтягування, м³; - напруга в гелі при деформації , віднесеній до дійсного перетину, кгс/см² ; Р - тиск повітря в роздутому гелі, мм вод. ст.; R₀ - радіус сфери, отриманої при піддуванні гелю до початку його розтягування, см; t₀ - товщина нероздутого гелю, см.

Температура води при синерезисі гелю 30°...40°С. Кран-маніпулятор після того, як залишив касету з формами в одній з ванн, витягує з іншої ванни касету з формами, на яких синерезис гелю завершений. Після цього кран-маніпулятор транспортує касету з формами до ванни з дисперсією, що ліквідовує клейкість зовнішньої поверхні оболонок.

Склад дисперсії %:

каолін.......................................... 14;

стеарат цинку..............................7;

вода............................................. 79.

Форми занурюються краном-маніпулятором у ванну з каоліновою дисперсією і без витримки в ній витягуються. Потім кран-маніпулятор транспортує касету з формами до місця знімання гелів з форм. Знімання гелів з форм здійснюють вручну, а касета з формами транспортується краном-маніпулятором до вихідної позиції, і цикл повторюється. Зняті з форм гелі навішуються на транспортер і проводиться їх роздування.

Роздуті гелі транспортуються конвеєром (рис. 4.43) через дві зони сушки з температурою в першій зоні +30..,+40°С, в другій зоні +40.. .+46°С.

Час сушки оболонок - 2,0.. .3,0 години.

Рис. 4.43. Фотографія конвеєра, транспортуючого роздуті гелі на сушку

Із зони сушки оболонки конвеєром транспортуються до місця їх знімання з конвеєра. За допомогою вакууму повітря з оболонок віддаляється. Знімання оболонок здійснюють вручну.

Вулканізацію оболонок проводять в камерах при температурі 100°С протягом двох годин.

При контролі якості візуальному огляду піддають 100% оболонок. Оболонки оглядають в піддутому стані. Вибірковим контролем оцінюють чинник якості оболонок, визначаючи відношення подовження при розриві оболонки (_обл.) до подовження при розриві плівки оболонки (_обр.) в умовах двовимірної деформації. Подовження при розриві оболонки (_обл.) розраховується за формулою:

,

де Д_раз. - діаметр оболонки у момент розриву; Д_о - діаметр оболонки, піддутій до початку розтягування; _раз. - об'єм повітря в оболонці у момент розриву.

Стосовно оболонок, виготовлених з латексу наїрит Л-7 описаний [43] спосіб їх випробування, при якому оболонки після вулканізації роздувають до збільшення діаметру в 3...4 разу. Після цього, повітря з оболонок видаляють і їх прогрівають в струмі гарячого повітря протягом 5...6 хвилин при температурі 80... 100°С для відновлення початкового розміру. Якщо оболонки витримують подібне роздування, це свідчить про відсутність в них дефектів, здатних викликати розривши раніше, ніж буде досягнуте збільшення діаметру оболонок в 3...4 разу. При застосуванні латексу іншого типу ступінь роздування при розбраковуваній повинен бути уточнена.