Электротехнология нетепловой модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертациии на соискание ученой степени доктора технических наук

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ НЕТЕПЛОВОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

05.09.10 - Электротехнология

Калганова Светлана Геннадьевна

Саратов 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет"

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Архангельский Ю.С.

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Конюшков Геннадий Владимирович

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Кувалдин Александр Борисович

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Зимин Лев Сергеевич

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова-Ленина

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научно-технической библиотеки Саратовского государственного технического университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ю.Б. Томашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка новых полимерных материалов является одним из приоритетных направлений науки и техники, так как обеспечивает технический прогресс в различных отраслях производства. Неменьший интерес представляет поиск путей модификации традиционных материалов. полимерный термореактивный термопластичный свч

В настоящее время для интенсификации процессов модификации полимерных материалов широко используются электрофизические методы, такие как упругие колебания звукового и ультразвукового диапазонов частот, виброобработка, токи высокой частоты, лазерное, электронное, ультрафиолетовое излучения.

Необходимость в альтернативных технологиях модификации полимеров связана с многостадийностью традиционных процессов, высокими энерго- и трудовыми затратами, экологической напряженностью производства. Исследования по применению электрофизических методов обработки материалов и изделий показали эффективность использования для этой цели энергии сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных колебаний. Объемная обработка полимерных материалов и изделий позволяет значительно ускорить процесс модификации по сравнению с другими методами обработки, при этом повышается качество готовых изделий, уменьшаются термомеханические эффекты, габариты производственной установки, улучшаются экономические показатели процесса.

СВЧ электромагнитное поле как источник энергии для обработки диэлектрических сред, материалов и изделий стало использоваться со второй половины ХХ века. За прошедшие десятилетия выполнены разносторонние исследования термического воздействия СВЧ электромагнитного поля на диэлектрические материалы. Значительные успехи в этой области достигнуты благодаря работам А.В. Нетушила, И.И. Девяткина, Ю.С. Архангельского, В.А. Коломейцева, И.А. Рогова, Г.В. Лысова, В.В. Игнатова, С.В. Некрутмана. В настоящее время определена природа этого явления, разработаны методы расчета установок СВЧ диэлектрического нагрева, математического моделирования технологических процессов термообработки, создано программное обеспечение необходимых на стадии проектирования оптимизационных процедур, предложена техническая классификация этих установок и спроектированы разнообразные типы установок СВЧ диэлектрического нагрева.

В конце ХХ века появились работы, в которых упоминается о так называемом нетепловом воздействии СВЧ электромагнитного поля на обрабатываемые объекты, описывается полезный технологический эффект от кратковременного воздействия на полимеры СВЧ электромагнитного поля. Эти новые возможности получения модифицированных материалов с заданным комплексом свойств характеризуют актуальность научных исследований и конструкторских разработок в области нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы. Таким образом, в диссертационной работе решается проблема повышения качества полимерных материалов на основе их нетепловой модификации в СВЧ электромагнитном поле и разработки нового класса СВЧ электротехнологического оборудования для её реализации, имеющая важное значение для развития СВЧ электротехнологии.

Целью диссертационной работы является решение комплекса научных и технических задач, связанных с исследованием нетепловой модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле и разработкой конструкторско-технических решений нового класса СВЧ установок для её реализации.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Определить особенности механизма нетеплового модифицирующего воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы; установить его влияние на термореактивные и термопластичные полимерные материалы, обеспечивающее конформационные изменения структуры.

2. Установить влияние режимов нетепловой СВЧ обработки на основные физико-механические свойства термореактивных и термопластичных полимерных материалов

3. Разработать математические модели, описывающие влияние параметров нетеплового СВЧ воздействия на структуру и свойства полимерных материалов.

4. Разработать методы расчета и принципы конструирования СВЧ установок нового класса для нетепловой модификации полимерных материалов; провести технико-экономическую оптимизацию структуры и параметров конструкций СВЧ установок модифицирующего воздействия.

5. Разработать инновационные предложения в области применения технологии нетеплового модифицирующего СВЧ воздействия на полимерные материалы.

Методы исследований, достоверность результатов работы. Решение задач исследований базируются на использовании научных основ электродинамики, СВЧ диэлектрического нагрева, физической химии и основ конструирования СВЧ установок. Экспериментальные методы основываются на применении современных высокоточных технических средств, таких как специализированная конвейерная СВЧ установка, предназначенная для научных исследований, электронная растровая микроскопия, оптико-компьютерная обработка размерных параметров, ИК-спектроскопия; измерения физико-механических свойств полимерных материалов проведены по стандартным методикам, обработка результатов экспериментальных исследований ? с применением методов математического планирования и регрессионного анализа.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием методов расчета рабочих камер СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия на полимерные материалы, сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов, а также с результатами исследований других авторов. Достоверность новизны технического решения подтверждается патентом на полезную модель, публикацией основных результатов работы в рецензируемых центральных изданиях ВАК России.

В ходе проведения диссертационного исследования получены основные результаты, сформулированные автором как положения, выносимые на защиту:

1. Нетепловое воздействие СВЧ электромагнитного поля увеличивает кинетическую гибкость цепи полимера, что обеспечивает конформационные превращения в структуре полимера, заключающиеся в изменении плотности молекулярной упаковки междоменных областей, в результате чего изменяются его свойства.

2. Разработанные математические модели кинетики отверждения термореактивного полимера, процесса отверждения эпоксидного компаунда и тепломассопереноса адекватно отражают влияние технологических режимов СВЧ обработки на структуру, свойства и фазовые переходы в полимерах.

3. Результаты экспериментальных исследований нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на свойства термореактивных и термопластичных полимеров подтверждают модифицирующее влияние на них напряженности электрического поля электромагнитной волны и продолжительности СВЧ воздействия.

4. Методы расчета и рабочие режимы камер СВЧ установок нетеплового воздействия учитывают напряженность электрического поля электромагнитной волны, при которой достигается модифицирующий эффект полимерного материала, и позволяют реализовать конструкторско-технологические решения процесса нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы.

5. Результаты технико-экономической оптимизации структуры и параметров СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия на полимерные материалы обеспечивают получение заданного количества и качества продукции.

6. Конструкторско-технологические решения процесса нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля позволяют разработать режимы и СВЧ оборудование для нетеплового воздействия на полимерные материалы различного типа.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые проведены системные исследования нетеплового модифицирующего воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы и разработаны конструкторско-технические решения нового класса СВЧ установок.

Наиболее существенными являются следующие научные результаты:

1. Впервые установлен механизм нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы, заключающийся в конформационных изменениях структуры и обеспечивающих модификацию физико-механических свойств объекта.

2. Впервые получены математические модели роста кристаллической фазы и процесса отверждения эпоксидного компаунда при СВЧ воздействии, тепломассопереноса, отражающие влияние времени СВЧ воздействия и напряженности электрического поля электромагнитной волны на структуру, свойства компаунда и фазовые переходы в полимерах.

3. Впервые экспериментально установлено влияние напряженности электрического поля электромагнитной волны и продолжительности СВЧ воздействия на структуру термореактивных и термопластичных полимеров различного типа и агрегатного состояния, обеспечивающее модификацию физико-механических свойств объекта.

4. Предложены методы расчета рабочих камер СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия на полимерные материалы, учитывающие напряжённость электрического поля электромагнитной волны, при которой происходит модификация объекта.

5. Предложены новые технические решения компоновки СВЧ установок нетеплового воздействия на полимерные материалы, учитывающие специфику технологических процессов модификации полимерных материалов различного типа.

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:

1. Нетепловое воздействие СВЧ электромагнитного поля обеспечивает улучшение свойств полимеров: для эпоксидного компаунда ? повышение предела прочности на разрыв в 3-4 раза, теплостойкости в 1,4-1,6 раза при ускорении процесса отверждения в 5-6 раз; для поликапроамида ? увеличение прочности на разрыв на 12-15 %; для тканей на основе поликапроамида ? повышение устойчивости к истиранию в среднем на 20%, гигроскопичности, сорбционной способности; для акрилового и сополиамидного клеевых материалов ? повышение прочности клеевого соединения на 15-20%.

2. Разработана и изготовлена специализированная конвейерная СВЧ установка для модифицирующего СВЧ воздействия на диэлектрические объекты, отличающаяся возможностью регулирования уровня генерируемой мощности в диапазоне от 130 до 3000 Вт и продолжительности процесса обработки объекта от 6 до 100 с в методическом режиме.

3. Разработаны конструкции СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия на полимерные материалы различного типа, размеров и агрегатного состояния.

4. Разработаны инновационные предложения по применению технологии СВЧ модифицирующего воздействия на полимерные материалы: в производстве силовых трансформаторов при изготовлении литой изоляции обмоток, в производстве базальтовых труб, позволяющие увеличить производительность за счет интенсификации процесса отверждения компаунда и улучшить прочностные свойства композиции базальтовые волокна?эпоксидный компаунд; в производстве композиционных материалов, обеспечивающие качество и надежность изделий.

5. Впервые определены оптимальные режимы процесса обработки эпоксидного компаунда в СВЧ электромагнитном поле, обеспечивающие повышение прочности компаунда в 3-4 раза, теплостойкости в 1,4-1,6 раза при напряженности электрического поля электромагнитной волны Е_зад= 6,62 В/м и времени СВЧ воздействия ф_СВЧ= 9,9 с по сравнению с компаундом, отвержденным на воздухе в естественных условиях.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены на ООО ИТФ «Элмаш-Микро» (г. Саратов) в производстве конвейерных СВЧ установок, рекомендованы к промышленному внедрению на ЗАО «Завод специальных автомобилей» (г. Энгельс) при производстве композиционных полимерных панелей.

Результаты работы используются при выполнении курсовых и дипломных работ, чтении курсов лекций по дисциплинам «СВЧ электротермические установки и системы» для студентов специальности 140605 - «Электротехнологические установки и системы» и «Применение СВЧ энергии в технологических процессах» для обучающихся в магистратуре по направлению 140600 - «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», а также использованы в изданных двух учебных пособиях, одно из которых с грифом УМО.

Апробация работы. Результаты по теме диссертации получены в ходе выполнения работ по Гранту Президента РФ (2006-2007 г.г.) в рамках плана исследований научной ведущей школы России НШ-9553.2006.8 и по внутривузовскому основному научному направлению 05.В «Научные основы проектирования, исследование параметров и режимов электронных, электрорадиотехнологических установок, систем и технологий» (2002-2007 гг.). Основные положения диссертационной работы докладывались на 9-й Международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2003), V Международной научной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (Алушта, 2003), 4-й Международной конференции молодых учёных и студентов (Самара, 2003), Международной конференции «Композит 2004» (Саратов, 2004), Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь» (Саратов, 2004), 5-й Международной научно-технической конференции «Электрические материалы и компоненты, МКЭМК-2004» (Алушта, 2004), Международном симпозиуме «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования», «Элмаш - 2004» (Москва, 2004), VII Международной научно-технической конференции (Новосибирск, 2004), Международном симпозиуме восточно-азиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям «Композиты ХХI века» (Саратов, 2005), Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин, МК-91-95» (Пенза, 2005), Международной научно-технической конференции «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2005), ХI Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты, МКЭЭЭ-2006» (Алушта, 2006), Международном симпозиуме «Элмаш - 2006» (Москва, 2006), V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2006), Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ-21 (Саратов, 2008), Международной научной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты, МКЭЭЭ-2008» (Алушта, 2008), IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008), а также на научных семинарах кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» (2003-2008 гг.) и ежегодных научно-технических конференциях СГТУ (2003-2005 гг).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 61 публикации, из них 12 работ опубликованы в ведущих изданиях, рекомендованных ВАК России, 1 справочник, положительное решение на выдачу патента на полезную модель и 2 учебных пособия, одно из них с грифом УМО.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 5 приложений, библиографического списка, включающего 335 наименования. Работа изложена на 339 страницах машинописного текста, содержит 122 рисунка, 24таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая значимость, реализация и апробация результатов работы.

В первой главе разработана методология исследований нетепловых воздействий СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы с целью модификации их свойств. Поскольку эти исследования связаны с обнаружением новых явлений и эффектов, в диссертации решена проблема терминологической базы непротиворечивых терминов, определяющих новые факты. Наиболее удачными, отражающими результаты кратковременного нетеплового модифицирующего воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы без нагрева или при наличии незначительного нагрева, являются термины «нетепловое» и «комбинированное» воздействие СВЧ электромагнитного поля.

Определены основные этапы исследования нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы для построения теории и конструкций СВЧ электротехнологических установок для модификации их свойств.

Во второй главе рассмотрены известные случаи нетеплового воздействия СВЧ СВЧ электромагнитного поля на биополимеры, которые показали, что живые системы независимо от уровня их организации весьма чувствительны к воздействиям СВЧ электромагнитных колебаний нетепловой интенсивности, причем существуют общие закономерности биологических реакций на это действие для микроорганизмов, растений и млекопитающих. Представлены также результаты нетеплового модифицирующего воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимер небиологического происхождения - полисульфон, что свидетельствует о существовании такого специфического воздействия на небиологические полимеры.

Третья глава посвящена разработке научных основ модифицирующего нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на структуру полимеров. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность и целесообразность применения СВЧ электромагнитного поля для нетепловой модификации полимерных материалов.

В настоящее время сведения о механизме модифицирующего влияния СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы носят отрывочный характер и практически все объяснения относятся к биополимерам. На взгляд автора, объяснение природы нетепловой СВЧ модификации полимеров следует искать в поляризационных эффектах, их особенностях на сверхвысоких частотах. На сверхвысоких частотах будет проявляться дипольно-групповая поляризация, так как время релаксации полярных групп и боковых ответвлений молекулы полимера меньше времени релаксации сегментов. Кроме того, полярные группы сохраняют подвижность при температурах, когда сегментальное движение отсутствует.

Таким образом, механизм нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на структуру полимерного материала сводится к следующему: СВЧ электромагнитное поле вызывает ослабление межмолекулярных сил, при этом улучшаются условия ориентации полярных групп и боковых концевых ответвлений молекулярной цепи вдоль силовых линий напряженности электрического поля, увеличиваются тепловые колебания полярных групп и возрастает интенсивность крутильных колебаний, что приводит к увеличению кинетической гибкости цепи полимера, а это, в свою очередь, создает дополнительные энергетические возможности для образования новых межмолекулярных взаимодействий. Под действием внешнего СВЧ электромагнитного поля без разрыва химических связей происходят конформационные изменения макромолекул полимера, заключающиеся в изменении плотности молекулярной упаковки междоменных областей, в результате чего изменяется степень кристалличности полимера и, как следствие, его свойства.

Обоснована возможность нетепловой СВЧ модификации термореактивных и термопластичных полимеров.

Выявлено влияние СВЧ электромагнитного поля на кинетику отверждения термореактивных полимеров на примере эпоксидного компаунда. Установлено, что процесс отверждения реализуется двумя путями: медленным топокинетическим, при котором образуется кристаллическая фаза эпоксидного полимера, и быстрым формированием аморфной фазы.

С помощью уравнения Ерофеева-Аврами-Колмогорова получено уравнение роста кристаллической фазы при СВЧ воздействии на процесс отверждения эпоксидного компаунда:

(1)

где г - степень конверсии мономера; о - величина, характеризующая соотношение аморфной и кристаллической фазы; n - величина, получаемая из данных ИК-спектроскопии построением в двойных логарифмических координатах (, ), А ? энергии активации; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура компаунда, ф - время отверждения; поглощенная СВЧ энергия в расчете на 1 моль мономера составит:

(2)

ф_СВЧ - время СВЧ обработки компаунда; М - молекулярная масса мономера; f - частота; - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь эпоксидного компаунда; Е - напряженность электрического электромагнитной волны (В/см).

Согласно уравнению (1) СВЧ воздействие приводит к снижению энергетического барьера реакции отверждения кристаллической фазы, т.е. энергии активации А, на величину W, например, за счет крутильных колебаний дипольных молекул мономеров вектором напряженности электрического поля электромагнитной волны, что создает дополнительные возможности «сшивок» молекул мономера с участием отвердителя при снижении вязкости компаунда.

Установлено влияние СВЧ электромагнитного поля на структуру отвержденного ЭК методом ИК-спектроскопии. ИК-спектры в области пропускания 1000-1100 нм, характерной для колебаний эпоксидных групп, свидетельствуют о различной степени отверждения эпоксидного компаунда при разных режимах СВЧ воздействия.

Получена математическая модель тепломассопереноса, описывающая фазовые переходы в полимерах при воздействии СВЧ электромагнитного поля.

Рассмотрена работа СВЧ установки в периодическом режиме при реализации технологического процесса с фазовым переходом без выраженного массопереноса. Время обработки единицы объема компаунда может быть найдено из решения системы уравнений

,

,

где б_к - коэффициент теплоотдачи конвекцией; ? коэффициент, учитывающий влияние тепловыделения в единице объема V на рост температуры; S_к - поверхность объекта, с которого идет конвекция; с, с - удельная теплоемкость и плотность объекта; r - коэффициент, учитывающий затраты энергии на реализацию фазового перехода; m - масса отверждаемого объекта; Р - мощность, поглощенная от внешнего источника; И - температурный параметр объекта.

Если ускорение процесса отверждения достигается при малых уровнях мощности Р, когда температура компаунда в результате СВЧ воздействия повышается незначительно и ? 0, то

. (4)

Размещено на http://www.allbest.ru

Если фазовый переход в результате СВЧ воздействия происходит при достижении некоторого температурного напора, то общее время СВЧ обработки складывается из времени нагрева полимера до заданной температуры и затрат времени на фазовый переход , т.е.

. (5)

Определяя экспериментально входящие в соотношения (4), (5) величины, можно исследовать влияние на фазовые переходы в объекте различных способов энергоподвода.

На примере волокнистого поликапроамида выявлено влияние СВЧ электромагнитного поля на структуру термопластичных полимеров (рис.1). Методом ИК-спектроскопии установлено, что нетепловое СВЧ воздействие приводит к изменениям в структуре полимера, связанным как с внутримолекулярными, так и с межмолекулярными водородными связями и конформационными изменениями молекулы полимера.

Результаты ИК-спектроскопии согласуются с данными электронной микроскопии. Выявлено повышение упорядоченности структуры поликапроамида, что может быть причиной упрочнения волокна и повышения сорбционной способности волокна в результате нетеплового СВЧ воздействия.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния СВЧ ЭМП на физико-механические свойства термопластичных и термореактивных полимерных материалов.

В качестве объектов исследования влияния нетеплового СВЧ воздействия выбраны полярные термопластичные и термореактивные полимеры с аморфной структурой, которая является более дефектной со слабыми межмолекулярными связями, а потому в ней могут иметь место конформационные изменения, приводящие к модификации их свойств.

Разработана специализированная конвейерная СВЧ установка с регулировкой уровня СВЧ мощности и продолжительности процесса обработки на базе камеры с бегущей волной, позволяющая проводить исследования нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на характеристики обрабатываемого объекта (рис.2).

а б

Рис. 2. Специализированная СВЧ установка для научных исследований: а - общий вид; б - структурная схема (1 - источник СВЧ энергии; 2 - ферритовый вентиль; 3 - аттенюатор; 4 - измерители падающей и отражённой мощности; 5 - СВЧ рабочая камера на прямоугольном волноводе с конвейерной лентой; 6 - калориметрическая балластная нагрузка; 7 - пульт управления; 8 - электрический привод конвейера)

Исследовано влияние режимов нетеплового СВЧ воздействия на свойства волокнистого поликапроамида. Установлено увеличение удельной разрывной нагрузки Р_р волокна на 12-15 % (рис.3) и уменьшение относительного разрывного удлинения е_р на 20-25 % по сравнению с исходным образцом поликапроамида. Эффект наблюдается при кратковременном СВЧ воздействии в 5-10 с, когда температура объекта в процессе обработки остается постоянной. Этот факт свидетельствует о нетепловой природе влияния СВЧ электромагнитных колебаний на полимерную структуру поликапроамидного волокна. Установлена незначительная релаксация удельной разрывной нагрузки Р_з на 3-6 %, однако величина остаточного эффекта воздействия позволяет говорить о нетепловой модификации поликапроамида.



Размещено на http://www.allbest.ru

Установлено влияние СВЧ ЭМП на физико-механические свойства смешанной ткани на основе поликапроамидного волокна. При кратковременном СВЧ воздействии в 10-15 с прочность ткани повышается в среднем на 17%, коэффициент жесткости по сравнению с исходной тканью снижается на 50-60 %, в результате повышается устойчивость к истиранию на 5-38 % для тканей различной плотности.

Исследовано также нетепловое воздействие СВЧ электромагнитного поля на такие потребительские свойства смешанной ткани, как несминаемость и усадка. Установлено, что все эти свойства имеют отклик на нетепловое СВЧ воздействие электромагнитных колебаний в разной степени положительные.



Размещено на http://www.allbest.ru

Большинство синтетических волокон обладают малой способностью к поглощению влаги. Установлено увеличение гигроскопичности ткани на 40%, которое наблюдается при кратковременном воздействии СВЧ электромагнитных колебаний в 10 с для неплотной структуры ткани.

Исследована эффективность применения нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на поликапроамидную ткань, пропитанную фосфорсодержащим замедлителем горения антипиреном Т-2, которая обусловлена повышением сорбционной способности ткани. По данным электронной микроскопии, в результате СВЧ воздействия антипирен внедряется в объем волокна и располагается на его поверхности в виде мелкодисперсных частиц размером 0,5-8 нм (рис.4), тогда как без СВЧ воздействия антипирен преимущественно располагаются на поверхности волокна в виде более крупных частиц размером 0,20-0,30 мм и агрегированных образований молекул замедлителя горения. Такое распределение замедлителя горения в волокне при модификации в результате нетеплового СВЧ воздействия обусловлено большей активностью взаимодействия радикалов замедлителя горения с волокном.

Исследовано нетепловое воздействие СВЧ электромагнитного поля на процесс отверждения эпоксидного компаунда и его физико-механические свойства. Установлено, что СВЧ обработка повышает предел прочности на разрыв у_В компаунда в 3-4 раза, теплостойкость В в 1,4-1,6 раза по сравнению с компаундом, отвержденным на воздухе в естественных условиях, и интенсифицирует процесс его отверждения в десятки раз (в 5-70 раз для разных режимов СВЧ обработки) (рис. 5, 6).

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Получены уравнения регрессии, характеризующие степень влияния выбранных факторов: СВЧ мощности, (х₁) времени СВЧ воздействия (х₂) и объемного соотношения смолы и отвердителя в компаунде (х₃) на предел прочности у_В, МПа (Y 1) и теплостойкость В, ⁰С (Y 2) с использованием метода планирования эксперимента:

;

.

Наибольшее влияние на процесс отверждения оказывает СВЧ мощность, а также имеют место парные взаимодействия факторов.

Исследовано влияние СВЧ электромагнитного поля на диэлектрические свойства полимерных триботехнических смазок и смазочно-охлаждающих технологических жидкостей. В результате кратковременной СВЧ обработки смазки в 3-5 с установлено незначительное снижение относительной диэлектрической проницаемости на 3-4 % и увеличение тангенса угла диэлектрических потерь ~ в 2,5 раза по сравнению с исходной (рис. 7). Для смазочно-охлаждающих технологических жидкостей увеличивается на 7-17 % и в 1,5-2,5 раза при времени СВЧ воздействия в 6-10 с по сравнению с необработанным объектом. Изменение диэлектрических показателей свидетельствует о нетепловой природе влияния СВЧ электромагнитных колебаний на структурные изменения смазки и смазочно-охлаждающих технологических жидкостей.

.

а б

Рис. 7. Влияние времени обработки в СВЧ электромагнитного поля на диэлектрические показатели смазочной среды, измеренные: 1 ? сразу после СВЧ обработки; 2 ? через 25 дней; 3 ? через 90 дней

Определена целесообразность применения нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля для повышения прочности клеевого соединения полимерных композиционных текстильных материалов. Установлено увеличение прочности при расслаивании клеевых композиционных материалов с акриловым АК-622 и сополиамидным СПА полимерами на 15-20%.

В результате проведенных экспериментальных исследований доказано существование нетеплового модифицирующего воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы различной структуры, исследовано влияние времени СВЧ воздействия и мощности обработки на основные физико-механические свойства объектов.

Следует иметь в виду, что экспериментальные результаты СВЧ воздействия на полимерные материалы получены при расположении объектов в прямоугольном волноводе с сечением 45х90 мм при их расположении тонким слоем посередине широкой стенки параллельно узкой. Поэтому при использовании результатов эксперимента следует учитывать тип линии, на базе которой будет проектироваться СВЧ установка нетеплового модифицирующего воздействия, потому что в этой линии следует обеспечить в обрабатываемом объекте ту же напряженность электрического поля электромагнитной волны, которая имела место в волноводе экспериментальной установки.

Пятая глава посвящена разработке метода расчета СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия, нового класса СВЧ электротехнологических установок.

Определены требования, которым должны удовлетворять СВЧ установки нетеплового модифицирующего воздействия, обеспечивая заданный технологический режим с необходимым качеством, производительностью и надежностью.

Структурная схема СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия отличается от структурной схемы СВЧ электротермической установки двумя обстоятельствами:

· в СВЧ установках нетеплового воздействия на модификацию полимерного материала тратится незначительная доля СВЧ мощности, поэтому для её утилизации используется балластная нагрузка;

· в СВЧ установках нетеплового воздействия существенно выше опасность получения недопустимо больших отражений СВЧ электромагнитной волны от рабочей камеры, поэтому в первую очередь следует обеспечить согласование балластной нагрузки с рабочей камерой и рабочей камеры с линией передачи, соединяющей её с источником СВЧ энергии. Гарантированную защиту генератора от отраженной волны обеспечивает ферритовый вентиль.

Поскольку для достижения модифицирующего эффекта напряженность электрического поля электромагнитной волны Е является величиной заданной, то в СВЧ установках нетеплового воздействия должна иметься возможность регулирования мощности СВЧ генератора, которую можно обеспечить с помощью тиристорного преобразователя источника питания или внешнего переменного аттенюатора.

Расчет рабочих камер СВЧ установок нетеплового воздействия сводится к их синтезу и нахождению условий достижения максимальной эффективности установок на их основе.

СВЧ нетепловая модификация может быть реализована в рабочих камерах с бегущей волной и в камерах лучевого типа. Разработаны методы расчета камер со слоистым заполнением.

Для решения задачи синтеза рабочей камеры пользовались уравнениями Максвелла. Информация об электромагнитных полях позволяет расположить модифицируемый объект в максимуме напряженности электрического поля Е электромагнитной волны. Например, в прямоугольном волноводе при нетепловой модификации тел плоской формы объект должен располагаться параллельно узким стенкам волновода.

В качестве собственных волн такого волновода выбраны продольные электромагнитные волны типа LM_mn и LE_mn (четные и нечетные относительно координаты х). При этом в рабочей камере наибольшую амплитуду переносит нечетная волна LE₁₀. По своей конфигурации электромагнитное поле у этой волны наиболее близко к полю волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе с однородным заполнением, причем тем ближе, чем тоньше слой модифицируемого объекта.

Допустим, известны в воздушном зазоре слоисто заполненного волновода, при которых имеет место нетепловая модификация полимерного материала, тогда при квази-Н₁₀ волне допустимая длина рабочего участка камеры с бегущей волной равна

, при 2< 1, то . (6)

где б - коэффициент затухания в слоисто заполненном волноводе.

Мощность СВЧ на входе в рабочую камеру в этом случае рассчитывается по соотношению

(7)

где ? характеристическое сопротивление в воздухе; а х b ? сечение волновода; л - длина волны генератора.

Производительность СВЧ установки ? по соотношениям

(8)

где , , - объемная [м³/с], погонная [м/с], весовая [кг/с] производительности; - время СВЧ модификации объекта, d, с - толщина, плотность модифицируемого объекта.

Если обеспечить перемещение объекта вдоль КБВ вдоль узкой стенки, то получим рабочую камеру, работающую в методическом режиме, производительность которой равна

Предложены варианты компоновки рабочей камеры для модификации полимерных волокон (рис.8). Для обеспечения к входному фланцу камеры от СВЧ генератора должна быть подана СВЧ мощность, определяемая соотношением (7). Время пребывания нити в волноводе равно .

Если > , то время пребывания в волноводе может быть уменьшено за счет уменьшения ширины b узкой стенки волновода. Это потребует уменьшения мощности СВЧ генератора, т.е. в источнике питания СВЧ генератора должна быть предусмотрена регулировка СВЧ мощности. При этом не следует опасаться СВЧ пробоя волновода, т.к. < Е_проб.. Для согласования волновода рабочей камеры с СВЧ генератором в этом случае потребуется на её входе поставить четвертьволновой согласующий переход.

Если < , то требуется увеличить время пребывания нити в СВЧ электромагнитном поле. Это можно обеспечить, протягивая нить вдоль той же щели в волноводе n раз, используя направляющие ролики (рис.8 а), причём

. (9)

Длина щели в этом случае определяется по соотношению , где d ? диаметр нити.



Рис.8. Варианты компоновки рабочей камеры СВЧ установки нетеплового воздействия для модификации полимерных волокон

Разумеется, на длине l из-за затухания электромагнитной волны амплитуда напряжённости E уменьшается и определяется по соотношению (6).

Если l < , то схема протягивания нити через рабочую камеру, показанная на рис.8 а, возможна. При l > необходимо соединить N отрезков волноводов меандром (рис. 8 б), причем N рассчитывается по соотношению

. (10)

Общая длина СВЧ тракта в N секциях, на которой происходит затухание электромагнитной волны, равна L = N l, тогда по аналогии с выражением (6) с учётом уравнения (10) получим

. (11)

Через щель длиной l можно пропустить плоский пучок n нитей, причём

или . (12)

Так как через рабочую камеру протягивается одновременно n нитей, общая производительность установки будет G= n .

Расчеты показывают, что при больших число секций велико, и длина установки по направлению протягивания нити может достигать нескольких десятков метров. Задачу можно решить, используя рабочую камеру, схема которой показана на рис.8 в. Предложена методика расчета такой камеры, которая позволяет найти дополнительную мощность Р_доп, необходимую на вход второй секции, чтобы в ней амплитуда напряжённости Е была в пределах от от Е_зад ±?Е:

, (13)

где С, К - переходное затухание и направленность направленного ответвления.

Предложен метод расчета рабочей камеры на коаксиальном волноводе, когда в нем существует лишь падающая Т волна (рис. 9 а).



Т-волну в коаксиальном волноводе описываем с помощью телеграфных уравнений и схемы, показанной на рис. 9 б, эквивалентные параметры которой рассчитываются по соотношениям:

, (14)

где ? число волокон, которые могут разместиться между проводниками волновода; ? площадь поперечного сечения модифицируемого диэлектрика, заполняющего волновод; ? площадь продольного сечения диэлектрика в промежутке между проводниками волновода, так что проводимость проводника

Погонные параметры эквивалентной схемы позволяют с помощью теории длинных линий найти коэффициент затухания и мощность в рабочей камере, а все остальные расчеты проводятся по соотношениям, аналогичным в расчете рабочих камер на прямоугольном волноводе.

В камерах лучевого типа модифицируемый объект для уменьшения габаритов установки размещают в ближней зоне излучателя. Расчет камеры лучевого типа проведен в предположении о распространении в ближней зоне излучателя плоской электромагнитной волны.

В качестве излучателей в камерах лучевого типа рекомендованы рупорные излучатели на прямоугольном волноводе (в плоскости Н, в плоскости Е и пирамидальный). Коэффициент затухания плоской волны в модифицирумом объекте равен

, (15)

где , ? диэлектрические парметры обрабатывемой среды.

Размещено на http://www.allbest.ru

При падении электромагнитной волны под любым углом на границу среды с волна в среде с распространяется практически по нормалям к границе раздела, а для касательных составляющих в среде с справедливо приближенное условие Леонтовича

,

где ? поверхностное сопротивление среды с .

Это граничное условие существенно облегчает анализ волн, распространяющихся в оптически более плотной среде, т.к. позволяет избежать определения в ней электромагнитного поля: достаточно решения задачи для одной, оптически менее плотной среды с заданным поверхностным сопротивлением на ее границе.

Отражение электромагнитной волны в рассматриваемой камере лучевого типа имеет место и на границах раздела сред (рис.10). Они понижают КПД по использованию СВЧ энергии. Однако у обрабатываемого полимерного материала при нетепловой модификации существенно не превышает 1, а достаточно мал, а потому коэффициенты отражений от границ раздела объекта и воздуха и в целом от камеры при согласованном приемном рупоре весьма малы и в расчете их можно не учитывать. Тогда ограничений на толщину d модифицируемого объекта нет, поскольку напряженность электрического поля Е внутри диэлектрика по его толщине остается практически постоянной.

Разумеется, при расчете камеры лучевого типа для комбинированной модификации нужно учесть влияние ? 0 на изменение Е по толщине объекта. В этом случае, появляется ограничение на толщину объекта, определяемая допустимым отклонением напряженности электрического поля Е от заданной величины. Расчеты толщины d объекта в этом случае проводят аналогично тому, как это делается в камере с бегущей волной на прямоугольном волноводе при определении тонкого модифицируемого объекта.

При проектировании КЛТ с ограниченным объемом требуется обратить внимание на расчет напряженности электрического поля Е в объеме объекта, в зависимости от мощности СВЧ генератора Р и распределения излучаемой мощности по апертуре излучателя. Рупорные излучатели рассчитываются обычным для антенной техники способом.

Разработаны конструкции и изготовлены макеты СВЧ установок для нетеплового модифицирующего воздействия на полимерные материалы разного технологического назначения.

Для обработки тонких материалов предложены конструкции СВЧ установок с камерой бегущей волны на прямоугольном волноводе (рис.11, 12 а) и коаксиальном волноводе (рис. 12 в).

а б в

Рис.11. СВЧ установка с камерой бегущей волны на прямоугольном волноводе для нетепловой модификации тонких материалов, а ? общий вид, б, в - схемы установок: 1 - источник энергии; 2 - транспортная система; 3, 4 - волноводные повороты; 5 - рабочая камера; 6 -балластная нагрузка

Для обработки широких ленточных полимеров предложена рабочая камера, представляющая собой набор отрезков прямоугольных волноводов стандартного сечения 90х45 мм с системой волноводных поворотов (рис.11 а, 12 а). Количество секций прямоугольных волноводов, соединенных последовательно, определяет общую длину рабочей камеры, а с учетом времени модификации - производительность установки.

Размещено на http://www.allbest.ru

К особенностям этой конструкции относятся высокие требования к согласованию рабочей камеры с СВЧ генератором и балластной нагрузкой. Лучшее согласование удается получить, если транспортировка объекта проводится по схеме, приведенной на рис.11 в.



Размещено на http://www.allbest.ru

В СВЧ установках вертикального типа с камерой бегущей волны на прямоугольном волноводе можно обрабатывать сыпучие полимерные материалы, придавая им форму тонкого плоского слоя (рис.13). Этот слой формируется в рабочей камере с помощью двух параллельных радиопрозрачных пластин, расположенных в центральной части волновода вдоль широкой стенки по всей его длине.

Наиболее универсальной конструкцией рабочей камеры СВЧ установки для нетепловой модификации объектов любой формы и агрегатного состояния является камера лучевого типа (рис.14).



Размещено на http://www.allbest.ru

В зависимости от площади твердого модифицируемого объекта в этих камерах поперек направлению движения объекта (вдоль оси камеры) может располагаться любое количество рупоров с источниками СВЧ энергии. Для обеспечения необходимой производительности с учетом заданного времени модификации возможно размещение на верхней стенке камеры нескольких рупоров вдоль её оси.



Размещено на http://www.allbest.ru

Во всех приведенных конструкциях СВЧ установок для нетепловой модификации полимерных материалов для обеспечения в рабочей зоне камеры заданной напряженности электрического поля источник СВЧ энергии должен иметь плавную регулировку мощности. В описанных конструкциях могут быть реализованы нетепловая и комбинированная СВЧ обработки полимерных материалов.

Предложена конструкция рабочей камеры СВЧ установки для нетепловой модификации жидких диэлектриков на круглом волноводе (рис.15). Модифицируемая среда в этой камере перемещается по круглой трубе из радиопрозрачного материала. Для обеспечения заданного времени обработки вязких (неньютоновских жидкостей) требуется специальный питатель.

В диссертации определены структура, параметры и режимы СВЧ установки для нетепловой модификации полимерных материалов, обеспечивающие заданное количество и качество продукции. Сравнение различных вариантов структуры и выбор лучшего из них проведен с использованием таких экономических показателей, как интегральный эффект (чистый дисконтированный доход), индекс доходности, внутренняя норма прибыли и срок окупаемости.

Под оптимальной СВЧ установкой для нетепловой модификации объектов предложено понимать такое оборудование, которое обеспечивает его владельцу максимальный интегральный за срок службы оборудования доход (чистый дисконтированный доход, интегральный эффект, социально-экономический эффект)

. (16)

При этом оптимальная СВЧ установка для нетепловой модификации объектов должна выпускать продукцию заданного качества в заданном объеме, не иметь СВЧ излучений в окружающее пространство, превышающее предельно допустимую норму, обеспечить выплату заработной платы, дивидендов, налогов, возврат банковского кредита в установленный срок и с согласованным банковским процентом. Таким образом, оптимизация СВЧ установки для нетепловой модификации объектов по своему характеру является технико-экономической: часть параметров, таких как выпуск продукции заданного объема и качества, отсутствие СВЧ излучений, достигаются принятием оптимальных технических решений, а выбор структуры СВЧ УМВ, количества источников СВЧ энергии (магнетронов), работающих на одну рабочую камеру, проводят с учетом стоимостных показателей.

В качестве целевой функции при оптимизации использован чистый дисконтированный доход

, (17)

где Пi - количество i-й продукции, выпускаемой установкой на t-м шаге расчета; Цni - цена единицы i-й продукции, выпускаемой установкой на t-м шаге расчета; n - число видов выпускаемой продукции на горизонте расчета Т; Нt - стоимостная оценка сопутствующего эффекта в производственной сфере на t-м шаге; St - стоимостная оценка социального эффекта на t-м шаге; Мt - остаточная стоимость основных фондов производственной инфраструктуры, исключаемой из эксплуатации на t-м шаге; Зt - эксплуатационные издержки на работу установки, включая налоги и платежи, на t-м шаге; Е - норма дисконта (определяется финансовой политикой государства и меняется в пределах 0,08 - 0,12 для стабильно развивающейся экономики).

В шестой главе приведены инновационные предложения применения технологии СВЧ нетеплового модифицирующего воздействия на полимерные материалы. Рассмотрены сущность, механизмы и разработан порядок инновационной деятельности по созданию СВЧ установок нетеплового воздействия для модификации полимерных материалов.

Разработаны инновационные предложения в областях

- новой энерго- и ресурсосберегающей технологии изготовления силовых трансформаторов с литой изоляцией обмоток с применением СВЧ энергии с целью увеличения производительности и качества литой изоляции по сравнению с традиционной технологией;

- использования новой технологии в производстве композиционных материалов с применением СВЧ энергии, направленной на нетепловую модификацию полимерной матрицы из эпоксидного компаунда или армирующего материала из волокнистого поликапроамида при интенсификации процесса получения композиционного материала;

- СВЧ технологии производства базальтовых труб, позволяющие увеличить производительность за счет интенсификации процесса отверждения эпоксидного компаунда, и улучшить прочностные свойства композиции базальтовые волокна?эпоксидный компаунд. Предложена конструкция рабочей камеры СВЧ установки для производства базальтовых труб и максимальные внешние диаметры труб, которые могут быть обработаны в подобных рабочих камерах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная проблема, имеющая существенное значение для развития промышленности в области СВЧ технологий модификации полимерных материалов, заключающаяся в создании метода повышения качества полимерных материалов на основе их нетепловой модификации в СВЧ электромагнитном поле и разработке нового класса СВЧ электротехнологического оборудования для её реализации. Это обосновывается следующими результатами:

1. Установлены особенности формирования структуры термореактивных и термопластичных полимеров в результате нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля, заключающиеся в конформационных изменениях структуры и обеспечивающих модификацию физико-механических свойств полимерного материала.