Содержание к диссертации
Введение
1. Методология исследования 18
1.1 .Построение гипотезы исследования 20
1.2.Терминологическая база проблемы 25
1.3-Технико—организационный аспект исследования 33
2. Влияние СВЧ электромагнитного поля на диэлектрические объекты . 37
2.1. Сущность и особенности СВЧ диэлектрического нагрева 37
2.2. СВЧ электротехнологические установки диэлектрического нагрева 40
2.3. Нетепловое воздействие СВЧ электромагнитного поля на полимеры ...43
2.3.1. СВЧ воздействие на биополимеры 43
2.3.2. Механизм нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на биополимеры 46
2.3.3. СВЧ воздействие на небиологические полимеры 54
3. Разработка научных основ нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на структуру полимеров 58
3.1. Обоснование возможности модификации полимеров с помощью энергии СВЧ 58
3.1.1. Электрофизические способы модификации полимеров и особенности СВЧ модификации 58
3.1.2. Механизм нетеплового модифицирующего воздействия СВЧ
электромагнитного поля на структуру полимеров 62
3.2. Обоснование выбора объектов исследования 69
3.3. Влияние СВЧ электромагнитного поля на кинетику отверждения термореактивных полимеров 74
3.4. Влияние СВЧ электромагнитного поля на формирование структуры термореактивных полимеров 86
3.4.1. Исследование влияния СВЧ электромагнитного поля на структуру эпоксидного компаунда методом ИК-спектроскопии 86
3.4.2. Особенности механизма формирования структуры эпоксидных компаундов в процессе СВЧ отверждения 91
3.4.3. Фазовые переходы в полимерах при воздействии СВЧ электромагнитного поля 96
3.5. Влияние СВЧ электромагнитного поля на формирование структуры термопластичных полимеров 99
4. Исследование влияния СВЧ электромагнитного поля на свойства полимерных материалов 112
4.1. Методика экспериментальных исследований 112
4.1.1. Характеристика объектов исследования 112
4.1.2. Оборудование для экспериментальных исследований 115'
4.1.3. Методики и методы контроля свойств объектов 123
4.2. Исследования по разработке гипотезы нетеплового воздействия СВЧ
электромагнитного поля на полимерные материалы в установке с камерой стоячей волны 128
4.2.1. Влияние СВЧ электромагнитного поля на прочностные свойства поликапроамидного волокна 128
4.2.2. Влияние СВЧ электромагнитного поля на физико-механические свойства смешанной ткани на основе поликапроамидного волокна 131
4.2.3. Влияние СВЧ электромагнитного поля на процесс отверждение эпоксидного компаунда 139
4.2.4. Влияние СВЧ электромагнитного поля на смазочные среды 143
4.2.5. Влияние СВЧ электромагнитного поля на смазочно-охлаждающие технологические жидкости 145
4.3. Исследования влияния режимов нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на свойства полимеров в установке с камерой бегущей волны 149
4.3.1. Влияние режимов нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на свойства поликапроамидного волокна 149
4.3.2. Исследование эффективности применения СВЧ нетепловой обработки при огнезащитной пропитке полотна из поликапроамидного волокна 156
4.3.3. Влияние режимов нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на прочность композиционных текстильных материалов 160
4.3.4. Влияние режимов нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на физико-механические свойства эпоксидного компаунда 165
4.3.5. Влияние режимов нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на свойства смазочно-охлаждающей технологической жидкости 172
Выводы 178
5. Теоретические основы разработки СВЧ электротехнологических установок нетеплового модифицирующего воздействия 182
5.1. Классификация технологических процессов и СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия 182
5.2. Требования, предъявляемые к СВЧ установкам нетеплового модифицирующего воздействия 185
5.3. Структурная схема СВЧ установки нетеплового модифицирующего воздействия 187
5.4. Технико-экономическая оптимизация структуры СВЧ установки нетеплового модифицирующего воздействия 196
5.5. Классификация рабочих камер СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия 205
5.6. Краевая задача электродинамики для рабочих камер СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия 208
5.7. Синтез рабочих камер СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия 212
5.7.1. Расчет рабочих камер на прямоугольном волноводе 212
5.7.2. Расчет рабочих камер на коаксиальном волноводе 236
5.7.3. Расчет рабочих камер на круглом волноводе 247
5.7.4. Расчет рабочих камер лучевого типа 249
5.8. Конструкции СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия на полимерные материалы 255
5.8.1. Рабочие камеры для СВЧ нетепловой модификации твердых тонких объектов 255
5.8.2. Рабочие камеры для СВЧ нетепловой модификации твердых объемных объектов 262
5.8.3. Рабочие камеры для СВЧ нетепловой модификации сыпучих объектов 266
5.8.4. Рабочие камеры для СВЧ нетепловой модификации жидких объектов 268
6. Инновации в области применения технологии СВЧ нетеплового модифицирующего воздействия на полимерные материалы 272
6.1. Сущность и механизмы инновационной деятельности 272
6.2. Инновация в области применения технологии СВЧ отверждения эпоксидного компаунда при производстве композиционных материалов 287
6.3. Инновация в области применения технологии СВЧ обработки при производстве базальтовых труб -289
Выводы 292
Заключение 295
Библиографический список 299
Приложения 337
- Нетепловое воздействие СВЧ электромагнитного поля на полимеры
- Влияние СВЧ электромагнитного поля на кинетику отверждения термореактивных полимеров
- Влияние СВЧ электромагнитного поля на физико-механические свойства смешанной ткани на основе поликапроамидного волокна
- Требования, предъявляемые к СВЧ установкам нетеплового модифицирующего воздействия
Введение к работе
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.
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:
-
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.
-
Установить влияние режимов нетепловой СВЧ обработки на основные физико-механические свойства термореактивных и термопластичных полимерных материалов
-
Разработать математические модели, описывающие влияние параметров нетеплового СВЧ воздействия на структуру и свойства полимерных материалов.
-
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.
-
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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Результаты технико-экономической оптимизации структуры и параметров СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия на полимерные материалы обеспечивают получение заданного количества и качества продукции.
-
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:
-
Впервые установлен механизм нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимерные материалы, заключающийся в конформационных изменениях структуры и обеспечивающих модификацию физико-механических свойств объекта.
-
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.
-
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.
-
Предложены методы расчета рабочих камер СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия на полимерные материалы, учитывающие напряжённость электрического поля электромагнитной волны, при которой происходит модификация объекта.
-
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:
-
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%.
-
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.
-
Разработаны конструкции СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия на полимерные материалы различного типа, размеров и агрегатного состояния.
-
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 волокнаэпоксидный компаунд; в производстве композиционных материалов, обеспечивающие качество и надежность изделий.
-
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 Езад= 6,62 В/м и времени СВЧ воздействия 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.
Нетепловое воздействие СВЧ электромагнитного поля на полимеры
О нетепловом воздействии СВЧ электромагнитных колебаний на биополимеры первыми заговорили микробиологи, биофизики и технологи пищевых производств в связи с применением ЄВЧ генераторов для- пастеризации (стерилизации) жидких сред, в частности, молока [27].
Тепловое воздействие СВЧ ЭМИ позволяет эффективно поражать микробную флору, загрязняющую обрабатываемую среду, при» сохранении в среде ферментов, витаминов и т.д. Наличие большого количества воды (70-85%) в микробной клетке — необходимое условие ее жизнедеятельности, так что именно диэлектрическими свойствами воды, в первую« очередь, обусловлено поглощение СВЧ энергии, то есть нагрев таких сред. При достаточной мощности СВЧ генератора происходит быстрый нагрев всей среды до температуры пастеризации, (стерилизации), отчего происходит гибель микроорганизмов [6, 8, 27].
В. то же время высказывалось предположение о нетепловом (специфическом) воздействии СВЧЭМП на бактериальную клетку, проявляющемся на отдельных частотах даже при малых мощностях СВЧ поля.
В первых обобщающих работах [24, 26, 28, 30] обращалось внимание на необходимость детального изучения механизма воздействия. СВЧ" электромагнитных колебаний на бактериальную клетку, тем более что нетепловое действие СВЧ1 электромагнитных колебаний долгое время ставилось под сомнение некоторыми исследователями, так как по их мнению в публикациях о таком действии не содержалось полной информации об условиях экспериментов и научного обоснования этогоэффекта. Выявлены также фактьъ активации остаточной микрофлоры после нетеплового воздействия СВЧ ЭМПи даже их генетическое воздействие на выжившие бактериальные клетки [24, 28, 32, 33].
Влияние электромагнитных колебаний на изменения функций центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы, органов пищеварения, выделительной системы и крови, возникающие под влиянием воздействий на организм животных малых интенсивностей СВЧ излучений, изучалось в основном при плотности потока мощности 10 мВт/см2. Наблюдающиеся в организме сдвиги трудно объяснить изменениями температуры в органах и тканях. По этому такие сдвиги рассматриваются в основном как нетермические [74-78].
Особое место занимают исследования воздействия СВЧ ЭМП миллиметрового диапазона на биосистемы [26, 35, 36, 79-82]. Проведенные на молекулярном, клеточном и органном уровнях исследования, показали, что живые системы, независимо от уровня их организации, весьма чувствительны к воздействиям СВЧ электромагнитных колебаний миллиметрового диапазона нетепловой интенсивности, причем существуют общие закономерности биологических реакций на это действие для микроорганизмов, растений и млекопитающих. Так, обнаружены, например, частотно-зависимые эффекты изменения скорости размножения клеток, их морфологических и биохимических свойств, установлены влияние СВЧ электромагнитных колебаний миллиметрового диапазона на регенерационные процессы в нерве, эффект защиты этими колебаниями клеток головного мозга от повреждений ионизирующей радиацией и противоопухолевыми препаратами, торможение роста опухоли, показано влияние слабых электромагнитных колебаний на кинетику реакций рекомбинации. Медики впервые исследовали нетепловое влияние СВЧ электромагнитных колебаний на форму полимера и высокомолекулярных соединений, участвующих в сложных химических реакциях: образование полимеров из мономеров, образование и разрыв химических связей [83-85].
Установлено, что при воздействии на суспензию биологических клеток СВЧ ЭМП, инфракрасными лучами и конвективной теплотой разной интенсивности, но при одинаковом времени воздействия и равном значении подъема температуры среды, функция клеток под влиянием СВЧ воздействия изменялась иначе, чем под влиянием двух других тепловых факторов [86-90].
Таким образом, сейчас наличие нетеплового действия СВЧ электромагнитных колебаний на биополимеры, видимо, можно считать доказанным. Исследования, проведенные на молекулярном, клеточном и органном уровнях, показали, что живые системы, независимо от уровня их организации, весьма чувствительны к воздействиям СВЧ электромагнитных колебаний миллиметро вого диапазона нетепловой-интенсивности, причем существуют общие закономерности биологических реакций на это-действие для микроорганизмов, растений и-млекопитающих [24, 26, 32, 36,- 79].
Влияние СВЧ электромагнитного поля на кинетику отверждения термореактивных полимеров
Для установления механизма нетеплового модифицирующего воздействия СВЧ ЭМП на структуру отвержденного эпоксидного компаунда (ЭК) научный интерес представляет исследование влияния СВЧ электромагнитных колебаний на процесс его отверждения. Рассмотрим факторы, влияющие на структурно-фазовое состояние отвержденного ЭК. Диановые эпоксидные смолы имеют следующую При х = 0 имеем диглицидиловый эфир бисфенола A (DGEBA) с молекулярной массой 340 г/моль. Например, смола ЭД-20 имеет молекулярную массу М= 390-430 г/моль (табл.3.2), что соответствует содержанию DGEBA 85-92%, остальное — полимерные звенья мономера с х = 1 (8 -15%) и х = 2 (2 - 3%). По результатам инфракрасной спектроскопии (ИКС) можно определить степень конверсии у DGEBA, тогда степень полимеризации равна [211] Отверждение ЭК сопровождается реакцией взаимодействия отвердителя с молекулами смолы и процессом полимеризация звеньев мономера х. Согласно [212] доля полимеризованных молекул с числом полимеризованных звеньев, равных х, составляет: где М0 - молекулярная масса мономера, Мотп - молекулярная масса отвердителя, (М0 х) - молекулярная масса звеньев, (М0р) — молекулярная масса полимеризованных молекул. Можно считать, что (MQx) и (MQp) Мотв, поэтому: При этом максимальное значение х]]ах можно найти взяв производную от 1п/ пох, что с использованием формулы Стирлинга [213] Получена расчетная зависимость в координатах (хтах, у), приведенная на рис. 3.6, откуда следует, что после у 0,7 следует считать xmax р, а при у = 0,1 — 0,7 величина хтах = 2—4 . Из этих результатов можно заключить, что процесс полимеризации DGEBA реализуется по двум механизмам: медленному топокинетическому, в котором образуется кристаллическая фаза ЭК на зародышах кристаллизации, отвечающих ди- или тетрамерному полимеру и быстрому формированию аморфной фазы при степенях полимеризации порядка;? = 6-100 [214]. Причем, согласно [211] глобулы кристаллической фазы ЭК при отверждении полиамином имеют диаметр 0,85 мкм.
Выше установлено (п. .3.1.2), что нетепловое воздействие СВЧ ЭМП может изменять степень кристалличности полимера, и, как следствие, его свойства. Потому рассмотрим закономерности роста кристаллической фазы в процессе отверждения, которые подчиняются уравнению Ерофеева-Аврами-Колмогорова [214]: где a 1 — степень кристалличности отвержденного ЭК, п 0 и Ь=п Кп, т — время отверждения ЭК; К —Be R - константа скорости кристаллического отверждения, В - аррениусовская предэкспонента, А — энергия активации, R = 8,314 кДж/моль и Т0 = 298 К - температура окружающей среды (нагрев ЭК при времени отверждения в 660 — 900 мин незначителен) [50]. После подстановки значений Ъ и К уравнение (3.9) принимает вид: После двойного логарифмирования (ЗЛО): выражение, согласно которому по угловому коэффициенту прямой в двойных логарифмических координатах (In [-In (1 - ее)], In т) можно определить величину: а также, при известной энергии активации А, вычислить аррениусовскую пре-дэкспоненту В. Скорость кристаллического отверждения можно найти из соотношения Из уравнения (3.12) следует, что при малом времени отверждения ЭК скорость кристаллического отверждения увеличивается, а при больших значениях т - уменьшается, т.е. она проходит через максимум, определяемый из условия д2а/дт2 =0 при т = ттю,. Пусть /? 1 - степень аморфной фазы отвержденного ЭК, а р/а — некоторая постоянная величина, определяемая с помощью рентгеноструктурного анализа отвержденного ЭК. Если у 1 - степень конверсии DGEBA, которую можно определить по результатам анализа ИКС, то можно записать: или можно определить величину п по угловому коэффициенту получаемых прямых и, при известной А, вычислить аррениусовскую предэкспоненту В [214]. Действительно в диапазоне времен отверждения т 3— 4 часов по результатам ИКС и вычисления эпоксидного числа [211], наблюдается спрямление экспериментальных данных в теоретических координатах (3.16) (рис. 3.7).
Причем величина «=1,2 свидетельствует об увеличении расстояния между глобулами кристаллической фазы ЭК, превышающего их размеры [214]. Величина В линейно уменьшается с увеличением отношения объема смолы к объему отвер-дителя, в то время как п и температура компаунда t не зависят от этого соотношения (рис. 3.8) [215]. Если отверждение ЭК происходит в результате нетеплового воздействия СВЧ ЭМП, то поглощенная СВЧ мощность в расчете на 1 моль DGEBA с учетом (2.3) равна
Влияние СВЧ электромагнитного поля на физико-механические свойства смешанной ткани на основе поликапроамидного волокна
Установлено влияние СВЧ электромагнитных колебаний на основные физико-механические свойства смешанной ткани на основе ПКА волокна [60-63]. Анализ полученных результатов показал, что кратковременное воздействие СВЧ ЭМП оказывает модифицирующее влияние на свойства тканей различной плотности и типом волокна ПКА в разной степени положительные. Так, в большей степени модифицирующий эффект от СВЧ воздействия проявляется для плотной и неплотной тканей с крученым ПКА волокном, который состоит в увеличении разрывного напряжения ор в среднем на 17 %. Для тканей с не крученым ПКА волокном плотностью Пу= 238 разрывное напряжение повышается в среднем на 11 %, а для ткани Пу= 120 практически остается неизменным (табл. 4.2, табл. 4.3). Следует отметить, что увеличение разрывного напряжения ор наблюдается в результате продолжительности СВЧ воздействиям Л 0-15 с, когда изменение температуры ткани после СВЧ обработки составляет не более 2 С. Относительное удлинение єр тканей различной плотности в результате нетеплового воздействия СВЧ ЭМП снижается незначительно в среднем на 2—3 %, потому можно сказать, что СВЧ обработка на фоне повышения прочности ткани практически не снижает её эластичность. Для полной характеристики прочностных свойств-исследуемых материалов была определена их устойчивость к истиранию, которая зависит от молекулярного строения полимера и состояния поверхности. Устойчивость к истиранию тканей на основе синтетических волокон во многом зависит от исходной степени кристалличности полимера. С ростом» кристалличности увеличргвается жесткость волокон, что ускоряет процесс их разрушения при истирающих нагрузках [140, 274-275]. тирающей нагрузки в плоскости, приводящих к разрушению образца, повышается при нетепловом СВЧ воздействии на 5%; 7%; 25%; 38% для тканей различной плотности (рис. 4.18) [61-63, 276]. Одним из важнейших физических свойств текстильного материала являются гигроскопические свойства — способность текстильного материала отдавать и поглощать водяные пары и воду.
Это свойство обусловлено, прежде всего, химическим составом и надмолекулярной структурой волокон. Большинство синтетических волокон и нитей обладают малой способностью к поглощению влаги, т.к. в их составе почти отсутствуют гидрофильные группы. Кроме этого на гигроскопические свойства материала оказывают влияние: структура волокон, характер расположения макромолекул, степень их упорядоченности, ориентации, а также степень аморфности № кристалличности структуры; пористость [256]. Установлено» влияние нетеплового воздействия CB4V ЭМГГ на капиллярное впитывание для тканей различной плотности. Изменение1 капиллярного-впитывания ткани характеризуется скоростью-перемещения влаги по текстиль-ной структуре (табл. 4.4). Из.рис. 4.19 и рис. 4.20 видно, что в большей степени влияние СВЧ ЭМП проявляется для тканей плотностей Пу = 238 и Пу = 120 с не крученым ПКА волокном и состоит в повышении капиллярного впитывания в среднем в 2 раза. Для тканей с крученым? ПКА волокном капиллярное впитывание в результате СВЧ- воздействия повышается в 1,8 и 1,6 раза соответственно для тканей плотностью Пу = 238 и Пу - 120. Модифицирующее нетепловое воздействие СВЧ ЭМП на способность смешанной ткани на основе ПКА волокна перемещать влагу по своей текстиль ной структуре наблюдается при кратковременной СВЧ обработке в 10 с и остается практически постоянной на интервале СВЧ воздействия в 10-60 с для всех типов ткани.
Требования, предъявляемые к СВЧ установкам нетеплового модифицирующего воздействия
СВЧ установки нетеплового модифицирующего воздействия должны удовлетворять ряду требований и, в первую очередь, обеспечивать заданный технологический режим с необходимым качеством, производительностью и надежностью [296].
Обеспечение заданного технологического режима - важнейшее требование к установкам и их рабочим камерам. Требуется обеспечить равномерное распределение напряженности электрического поля Е по объему объекта, заданную (оптимальную) величину амплитуды этого поля и необходимое время пребывания в нем. Особого разговора заслуживает вопрос о частоте электромагнитного поля. Считается установленным, что модифицирующий эффект зависит от частоты электромагнитных колебаний [5, 7, 10, 13, 15, 24-27], и зачастую исследователи сосредотачивают свое внимание на определении частоты, на которой проявляется специфическое, как иногда говорят, воздействие электромагнитных колебаний на обрабатываемый объект. В то же время на практике в СВЧ установках нетеплового модифицирующего воздействия можно использовать лишь генераторы с частотой электромагнитных колебаний 2450, 915 и 433 МГц, которые выпускает электронная промышленность у нас в стране и за рубежом. Таким образом, практический интерес имеет только вопрос, есть ли модифицирующий эффект именно на одной из этих частот.
Поскольку нетепловое воздействие, достигнутое в каком-либо участке объема обрабатываемого объекта, при неравномерном воздействии СВЧ ЭМП не передается другим участкам подобно передачи теплоты теплопроводностью, то при проектировании СВЧ установок нетеплового модифицирующего воздействия, работающих в периодическом режиме, особое значение приобретает задача обеспечения заданной равномерности распределения напряженности СВЧ ЭМП по объему объекта. Добиться требуемой равномерности можно, учитывая изменения є и tgS в процессе обработки.
Значительно проще дело обстоит с установками, работающими в;методиг ческом (непрерывном) режиме; Здесь из-за движения объекта:в; рабрчешкамере необходимо» обеспечить равномерное распределение напряженности электро магнитногополяшишь в поперечном-сечении объекта обработки;.
Не исключено» что по мере изучения конкретных технологий модификации полимерных материалов-при- нетепловом воздействии СВЧ? ЭМИ; появятся сведения о- дополнительных параметрах,, которые надо; знать, для? достижениям модифицирующего эффекта.
Как «всякое высоковольтное оборудование;.СВЧ УНВ1;должны удовлетворять требованиям ПУЭ, иметь электромагнитное излучение,, не; превышающее: максимально допустимое, а именно? ГО5 мВт/см. при: работе: полную; рабочую смену или ОД ммВт/см" приработе 2 часавїденьи: 1 ммВт/см. приработе15—20: минут в: день. Защита обслуживающего персонала! от сверхвысокочастотного излучениягвьСВЧ УНВ; стоит более остро; чем і в; СВЧї установках, диэлектрического? нагрева, все по той же причине — низкого энергетического! КПД-І на!, осуществляется; как и в установках диэлектрического- нагрева, разумным : конструированием гвшервую очередьсистемььзагрузки-выгрузки обрабатываемого объекта из рабочей камеры [297]:.
Для надёжной; работы: СВЧ; генератора: коэффициент стоячей волны: по напряжению:рабочей: камеры; /„ не должен: превышать допустимого;длягдан-ногогенератораїзначения: Это требование очень важно для ЄВЧ- ЭТУ модифицирующего действия, поскольку в:рабочих, камерах такихіустановок обрабатывающий объект, как правило,, практически не поглощает СВЧ! энергию и: воз-моженвесьмаболынойКсти(коэффициентотражения;./7) отрабочей камеры.
Особенно важным» в условиях: рыночной/ экономии является: требование экономической эффективности, которое в принципе может определяться; для СВЧ УНВ так же, как в СВЧ1 установках диэлектрического нагрева [3, 44; 298], но решения в- этом отношении могут быть развиты только после построения методов-расчета СВЧ установок нетеплового модифицирующего действия.
Структурная схема СВЧ установки нетеплового модифицирующего воздействия показана на рис. 5.3. Она принципиально отличается от структурной схемы СВЧустановки диэлектрического нагрева по двум обстоятельствам: в СВЧ установках диэлектрического нагрева возможно построение рабочей камеры, в которой приходящая от СВЧ генератора энергия практически полностью поглощается в обрабатываемом объекте. В СВЧ УНВ почти вся СВЧ энергия в рабочей камере не поглощается и требуется её утилизация. Наиболее просто это достигается с помощью балластной нагрузки на выходе рабочей камеры. Возможна постановка вопроса об использовании этой энергии для достижения иных технологических решений, например, для термообработки в специальных СВЧ электротермических установках, реализующих связанный или независимый от нетепловой обработки технологический процесс [299]; в СВЧ( УНВ существенно выше опасность получения недопустимо больших отражений СВЧ электромагнитной волны от рабочей камеры. Устранение этой опасности, в первую очередь, следует искать на пути согласования балластной нагрузки с рабочей камерой и рабочей камеры с линией передачи, соединяющей рабочую камеру и источник СВЧ энергии. Гарантированную защиту генератора от отраженной волны обеспечивает ферритовый вентиль.
В целом СВЧ установка нетеплового модифицирующего воздействия состоит из следующих элементов: источника СВЧ энергии, ферритового вентиля, линии передачи, рабочей камеры, балластной нагрузки, системы управления технологическим процессом, системы загрузки-выгрузки объекта обработки (рис. 5.3).
Источник энергии содержит СВЧ генератор (как правило, магнетрон) и источник питания (табл. 5.1) [3, 298].
