Разработка элементов "умной одежды"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка элементов "умной одежды"

Возникновение электростатической опасности на производстве обуславливается процессами накопления электростатических зарядов на поверхностях материалов из окружающей среды, при деформации, измельчении, распылении, интенсивном перемешивании, кристаллизации или испарении веществ, а также в результате трения кожных покровов и текстильных изделий между собой и с рабочими поверхностями.

Накопление опасного для человека количества статического электричества определяется интенсивностью возникновения заряда в результате описанных выше причин и условиями его стекания. Процесс стекания заряда определяется в основном электрическими свойствами окружающей среды и материалов, из которых изготовлено оборудование. В случае отсутствия необходимых условий для стекания заряда происходит его накопление. Энергия накопленного электрического заряда может оказаться достаточно большой для образования искрового разряда в атмосфере рабочей зоны с последующим воспламенением присутствующей горючей или взрывоопасной паровоздушной смеси.

Согласно ГОСТ 12.4.124-83 [1] в качестве элементов электростатической защиты могут быть использованы антиэлектростатические кольца и браслеты, которые должны обеспечивать электрическое сопротивление в цепи человек-земля от 10⁶ до 10⁷ Ом, при этом заземляющий проводник антиэлектростатического браслета должен обеспечивать свободу перемещения рук.

Однако выполнение приведённых требований не всегда возможно вследствие объективных обстоятельств. Например, для работающих в условиях пониженных температур и влажности вне помещения (условия Северных территорий РФ) невозможно использование антиэлектростатических браслетов с заземлением, т.к. при контакте металла с кожей рук при отрицательных температурах возникают холодовые ожоги. Использование антиэлектростатической обуви также не эффективно вследствие высокого сопротивления снежного покрова и т.д.

Проведенное в [2] математическое моделирование электростатического поля вблизи человека в защитной одежде из полимерного материала при наличии на поверхностного заряда показал, что при равномерно распределенной плотности поверхностного заряда на одежде _s = 10^-7Кл/м² наибольшее значение потенциала достигается в области грудной клетки и шеи человека и составляет около 8 кВ. Напряженность электрического поля на поверхности одежды человека при заданной равномерно распределенной плотности поверхностного заряда на одежде имеет постоянное значение 11 В/мм. Такая величина напряженности поля на поверхности одежды ниже напряженности пробоя в однородном поле 2,3 кВ/мм [3]. Однако при приближении человека к металлическим предметам величина электрического поля в зазоре между одеждой и этим предметом будет возрастать и может достигнуть напряжения пробоя [2]. Заданное в условие равномерного распределения заряда по поверхности одежды моделирует, но существенно упрощает реальную картину распределения заряда на одежде.

В связи со всем вышесказанным вопросы обеспечения стока заряда с поверхности одежды человека или изделий из полимерных материалов, с которыми человек может находиться в контакте, встают чрезвычайно остро. И особенно остро они стоят для работников нефте- и газодобывающих и транспортирующих компаний, работающих в условиях пониженных температур и влажности воздуха, в присутствии снежных осадков [4].

Для создания элемента для стока и нейтрализации заряда была использована система оксидов никеля с разной степенью окисления металла - оксид никеля (II) - оксид\гидроксид никеля (III). Система обратима (реакция 1), и это свойство используется при создании химических источников тока [5].

NiO + OHЇ? NiOOH + з (1)

электростатический защита одежда

Элементом защиты полимерного (текстильного) материала от накопления статического заряда может служить электрохимический элемент, состоящий из одинаковых композитных электродов, содержащих в качестве активного компонента композитные материалы на основе углерода и/или оксиды/гидроксиды никеля. К электродам стекают заряды, которые накапливаются на трущихся поверхностях одежды (например, рукав и полочка куртки, нижние части брюк) (рис. 1).

Поскольку электроды одинаковые, знак заряда, возникающего в данный момент на элементе одежды, не имеет значения. При изменении условий и возможно полярности заряда процесс в электрохимическом элементе будет идти в обратном направлении. Таким образом, вне зависимости от величины и знака заряда, возникающее на элементах одежды электричество будет стекать в электрохимический элемент и расходоваться в обратимом электрохимическом процессе.

В случае необходимости накопления и утилизации (полезного использования) заряда, возникающего на поверхности текстильных материалов из синтетических (полимерных) материалов, электрохимический элемент должен представлять собой суперконденсатор (СК).

Рис. 1. - Схематическое изображение напряженности поля на одежде (а) и с внедрением элементов для стока/накопления заряда и устройств микросистемной техники (МСТ) (б). (Интенсивность окраски коррелирует с напряженностью поля). 1 - электрохимический элемент для накопления заряда; 2 - устройство МСТ; 3 - электрохимический элемент для стока/накопления заряда.

Преимуществами суперконденсаторов перед другими источниками тока являются высокие скорости заряда/разряда, к.п.д. более 95%, малая деградация, длительный срок службы и т.д. [6]. По своим основным параметрам - удельным мощности и энергии, суперконденсаторы занимают промежуточную нишу между обычными конденсаторами и аккумуляторами, приближаясь по энергии к литий-ионным аккумуляторам и превосходя их по мощности [7].

Суперконденсатор накапливает энергию с помощью электростатических зарядов на противоположных поверхностях двойного электрического слоя (ДЭС), который формируется между каждым из электродов и ионами электролита.

Двойнослойные конденсаторы (ДСК) основаны на использовании емкости ДЭС, существующего на границе электрод/электролит. Обычно они состоят из двух пористых поляризуемых электродов из высокодисперсного углерода с высокой удельной поверхностью, находящихся в инертном электролите [8, 9]. Принцип действия псевдоконденсаторов (ПСК) сочетает два механизма сохранения энергии, а именно электростатическое взаимодействие, как в конденсаторах с двойным электрическим слоем, и фарадеевские процессы (окислительно-восстановительные реакции в основном в приповерхностных слоях электрода). Поэтому емкость ПСК получается значительно больше, чем у ДСК [6, 10]. Гибридные конденсаторы (ГК) представляют собой переходный вариант между аккумулятором и конденсатором. Наличие в названии слов «гибридные» обусловлено тем, что электроды выполнены из разных материалов и накопление заряда на них протекает по разным механизмам.

В качестве материала одного из электродов в ГК используются такие проводящие материалы, как полимеры [11, 12], оксиды переходных металлов (RuO₂, IrO₂, MnO₂, NiO, Co₃O₄ [13-16]) или композиционные материалы на их основе [17]. Наиболее подходящими для этого свойствами обладают оксиды RuO₂ [13] и IrO₂ [18], но из-за высокой стоимости их использование становится не рентабельным. Такой оксид, как NiO [19-20], близок по своим характеристикам к оксидам рутения, а его низкая стоимость и высокая теоретическая удельная емкость (2573 Ф/г [21]) делает оксид никеля одним из наиболее перспективных кандидатов для использования в суперконденсаторах особенно в составе композиционных материалов NiO/C [22, 23].

Таким образом, для накопления заряда, возникающего на поверхности текстильных изделий в определенных условиях эксплуатации, наиболее перспективным будет использование псевдоконденсатора. Такой элемент разработан на основе композиционного NiO/C материала. Данный материал, представляет собой равномерно распределенные по поверхности углеродной сажи Vulcan XC-72 пластины оксида никеля (рис. 2), полученные в процессе электрохимического окисления и диспергирования никелевых электродов в растворе щелочи под действием переменного асимметричного импульсного тока [24-27].

Рис. 2. - Микрофотография композиционного материала NiO/C

Внедрение СК в качестве элемента для накопления заряда позволит рассматривать его в качестве источника электроэнергии для встроенных в одежду или иное изделие из полимерных материалов устройств МСТ (рис. 1).

Разработка принципиального решения геометрических, массовых и электротехнических параметров элемента для стока заряда с поверхности текстильного изделия или его накопления проводилась на основании следующих положений:

· электрическая емкость композиционного материала NiO/C, полученного методом электрохимического диспергирования никеля, составляет от 200 до 1000 Ф/г;

· плотность поверхностного заряда на одежде _s = 10^-7Кл/м²;

· наибольшее значение потенциала в области грудной клетки и шеи человека;

· конструктивно элемент для стока и нейтрализации заряда должен отвечать требованиям эргономики - не затруднять и не ограничивать движения человека;

· масса элемента не должна превышать 50 г;

· в целях безопасности электрическая емкость элемента должна превышать величины возможных возникающих зарядов на одежде не менее чем в 10 раз;

· элемент для накопления заряда должен обеспечивать возможность питания устройств МСТ, встроенных в одежду («умная одежда»).

Исходя из приведенных требований, была предложена планарная конструкция элемента для стока и нейтрализации заряда или его накопления (рис. 3). Два одинаковых проводника, выполненных из углеродной ткани, применяются в качестве электродов. В случае необходимости накопления заряда и его утилизации в устройствах МСТ для повышения электрической емкости элемента на электроды может быть нанесена активная масса композиционного материала NiO/C. В качестве электролита используется водный раствор 6 Моль/л КОН, переведенный в гелеобразное состояние с помощью введения коллоидного диоксида кремния «Аэросил». Сборка электродов и электролита помещена в герметичный гибкий контейнер, выполненный из стойкого к действию щелочи полимера. Общий вес элемента в сборке - 2,25г.

Рис. 3. - Схема электрохимического элемента для стока и нейтрализации или накопления заряда: 1 - углеродная ткань; 2 - слой NiO/C; 3 - электролит; 4 - герметичный контейнер

Электрохимическое тестирование разработанного элемента проводили с помощью потенциостата РS-9 (ООО «Элинс», Россия) и импедансметра (ООО «Элинс», Россия) тремя методами: гальваностатическим - Е(t), методом циклической вольтамперометрии (ЦВА) - I(Е) и методом электрохимического импеданса - Z. Применение этих трех методов позволяет наиболее полно оценить электрохимические характеристики разработанного элемента.

а)

б)

в)

Рис. 4. - Электрохимические характеристики элемента для стока и нейтрализации или накопления заряда: а) ЦВА при скорости развертки потенциала 5 мВ/с; б) разрядная кривая, полученная при плотности тока заряда/разряда ±0,5А/г; в) годограф импеданса

На ЦВА электрохимического элемента для стока и нейтрализации или накопления заряда (рис. 4а) при потенциалах выше 800 мВ наблюдается начало окислительно-восстановительных процессов, связанных с образованием высших оксидов никеля, входящего в состав композита NiO/C (реакция 1), которые вносят большой вклад в емкость элемента.

Форма разрядной кривой (рис. 4б) свидетельствует о наличии псевдоемкости, возникающей в процессе окислительно-восстановительных реакций, что хорошо согласуется с результатами вольтамперометрии.

Измерения импеданса проводили в диапазоне частот от 1Гц до 200000 Гц с амплитудами внешнего переменного сигнала 10 мВ. На годографе импеданса (рис. 4в) в высокочастотной области имеется прямая импеданса Варбурга, обусловленная наличием процессов диффузии реагента в приэлектродном слое электролита, что характерно для электродов, на которых имеет место обратимый фарадеевский процесс (реакция 1).

Таким образом, результаты, полученные с помощью трех описанных выше электрохимических методов исследования, хорошо согласуются между собой. Рассчитанные на их основе общие характеристики электрохимического элемента приведены в таблице 1.

В зависимости от назначения и требований МСТ (табл. 2) геометрические параметры нашего элемента могут быть увеличены, что в свою очередь, позволит получить необходимые электрические характеристики.

Таблица №1 Характеристики готового электрохимического элемента для стока и нейтрализации или накопления заряда при плотности тока заряда/разряда ±1,5 мА/г

Электрические параметры элемента для накопления заряда определяются требованиями, предъявляемыми устройствами микросистемной техники к параметрам электропитания. Параметры этих устройств - элементов «умной одежды» - зависят от назначения и приведены в таблице 2.

Таблица №2 Характеристики устройств МСТ для использования в качестве элементов «умной одежды»

Таким образом, разработаны принципиальные решения геометрических, массовых и электротехнических параметров элемента для стока заряда с поверхности текстильного изделия или его накопления. В первом случае элемент представляет собой обратимую электрохимическую систему на основе наноструктурированных оксида никеля и углеродной ткани. Во втором - управляемый многоступенчатый псевдоконденсатор, емкость которого определяется требованиями устройств МСТ для утилизации заряда. В обоих случаях элементы имеют планарную конструкцию, гибкие, легкие, герметичные, отвечающие требованиям безопасности и эргономики.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.B37.21.0086).

Литература

1. ГОСТ 12.4.124-83. «Средства защиты от статического электричества. Общие технические требования». М.: 1983 - № 428.

2. Третьякова Л.Д., Подольцев А.Д. Анализ электростатического поля вблизи человека в защитной одежде из полимерного материала при наличии на ней поверхностного заряда [Текст] // Тех. Электродинамика, 2010 - №6. - С.10-15

3. Техника высоких напряжений [Текст] / Александров Г. Н., Иванов В. Л., Кадомская К. П. и др. // под. ред. Костенко М.В. М.: Высшая школа.- 1973. - С.578.

4. Черунова И.В., Меркулова А.В., Горчаков В.В., Бринк И.Ю. Основы проектирования антиэлектростатической теплозащитной одежды [Текст] // М.: Академия естествознания, 2007 - С.132.

5. Беляков, А. И. Электрохимические суперконденсаторы: текущее состояние и проблемы развития / Беляков, А. И. [Текст] // Электрохимическая энергетика.-2006.- Т.6.- №3.- С.146-149.

6. Вольфкович, Ю.М. Электрохимические конденсаторы [Текст] / Вольфкович Ю.М., Сердюк Т.М. // Электрохимическая энергетика.- 2001.- Т.1.- №4.- С.14-28.

7. Основы водородной энергетики [Текст] / Под. ред. В.А. Мошникова и Е.И. Терукова. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ».- 2011.- С.288.

8. Химические источник тока: справочник [Текст] / под. Ред. Коровина Н.В., Скундина А.М.. М.- Изд-во МЭИ.- 2003.- С.740.

9. Кузнецов, В. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство [Текст] / Кузнецов В., Панькина О., Мачковская М., Шувалов Е., Востриков И. // Компоненты и технологии.- 2005.- №6.- С.12-16.

10. Zhang, Y. Progress of electrochemical capacitor electrode materials: A review [Text] / Zhang Y., Feng H., Wu X., Wang L., Zhang A., Xia T., Dong H., Li X., Zhang L. // Int. J. Hydrogen Energy.- 2009.- V.34.- Р.4889-4899.

11. Электрохимия полимеров [Текс] /под. Ред. Тарасевича М.Р., Хрущевой Е.И.; Наука.- 1990.- С.238.

12. Malinauskas, A. Conducting polymer-based nanostructurized materials: electrochemical aspects [Text] / Malinauskas A., Malinauskiene J., Ramanavicius,A. // Nanotechnology.- 2005.- V.16.- Р.51.

13. Ahn, Y.R. Electrochemical capacitors based on electrodeposited ruthenium oxide on nanofibre substrates [Text] / Ahn Y.R., Song M.Y., Jo S.M., Park C.R. // Nanotechnology.- 2006.- V.17.- Р.2865.

14. Jiang, J. Electrochemical supercapacitor material based on manganese oxide: preparation and characterization / Jiang J., Kucernak A. // Electrochim. Acta.- 2002.- V.47.- P.2381-2386.

Размещено на Allbest.ru