Содержание к диссертации
Введение
1. Влияние СВЧ электромагнитных полей на диэлектрические среды 10
1.1. СВЧ диэлектрический нагрев 11
1.2. Нетепловое и комбинированное воздействие СВЧ электромагнитных колебаний 14
1.2.1. СВЧ воздействие на млекопитающих 15
1.2.2. СВЧ воздействие на микроорганизмы и клетки 17
1.2.3. СВЧ воздействие на неживые полимерные объекты 21
1.2.4. Механизмы нетеплового СВЧ воздействия 28
1.3. Способы модификации полимерных материалов 35
1.3.1. Физическая модификация 35
1.3.2. Химическая модификация 36
1.3.3. Электрофизическая модификация 38
1.4. Выводы 40
2. Экспериментальные исследования влияния СВЧ электромагнитных колебаний на полимерный волокнистый материал 42
2.1. Классификация химических волокон 42
2.2. Свойства полимерного волокнистого поликапроамида 45
2.3. Проверка гипотезы о нетепловом воздействии СВЧ электромагнитных колебаний на ПКА нити 52
2.3.1. Методика исследования 53
2.3.2. Методика контроля свойств обрабатываемого объекта 56
2.3.3. Результаты исследования 60
2.4. Исследование влияния режимов обработки ПКА нитей в СВЧ электромагнитном поле на их свойства 66
2.4.1. Установка СВЧ воздействия на исследуемые объекты 66
2.4.2. Методика исследования 76
2.4.3. Результаты исследования 79
2.5. Выбор технологического режима нетепловой модификации объектов в нетепловом СВЧ электромагнитном поле 98
2.6. Выводы 104
3. СВЧ электротехнологическая установка модифицирующего воздействия на полимерный волокнистый материал 106
3.1. Общие вопросы производства химических волокон 106
3.2. Классификация и структурные схемы СВЧ установок модифицирующего воздействия 111
3.3. Элементы структурной схемы СВЧ электротехнологических установок 116
3.4. Рабочие камеры СВЧ электротехнологических установок для модификации полимерных волокон 118
3.5. Электромагнитные поля и волны в рабочих камерах СВЧ электротехнологических установок для модификации полимерных волокон 129
3.5.1 Рабочая камера на прямоугольном волноводе 129
3.5.2 Рабочая камера на коаксиальном волноводе 137
3.5.3 Рабочая камера на полосковом волноводе 141
3.6. Расчет рабочей камеры СВЧ для нагрева полимерных волокон 145
3.7. Расчет рабочей камеры для нетепловой модификации полимерных волокон 147
3.8. Выводы 149
Заключение 150
Литература 152
Приложения 164
- Нетепловое и комбинированное воздействие СВЧ электромагнитных колебаний
- Способы модификации полимерных материалов
- Свойства полимерного волокнистого поликапроамида
- Классификация и структурные схемы СВЧ установок модифицирующего воздействия
Введение к работе
Традиционно электромагнитные колебания используются в таких областях науки и техники, как радиосвязь, радиолокация, радиоуправление, телевидение.
Изучение и освоение диапазона СВЧ электромагнитных колебаний требовали решения многих проблем, качественно отличных от тех, которые характерны для более низких частот. Значительный вклад в развитие и традиционное применение СВЧ электромагнитных колебаний внесли в нашей стране Б.А. Введенский, Л.Г. Аренберг, М.С. Нейман, Г.В. Кисунько, Н.Д. Девятков, В.И. Калинин и другие, разработавшие принципиально новые методы генерирования, усиления и передачи в диапазоне СВЧ.
В пятидесятые годы прошлого века в нашей стране и за рубежом появились первые работы по нетрадиционному применению энергии СВЧ электромагнитных колебаний (полей, волн). Большинство работ в первое время были посвящены их применению для термообработки пищевых продуктов: из-за объемного тепловыделения при СВЧ энергоподводе существенно сокращается время термообработки, улучшается качество продукции за счет сохранения тер-молобильных витаминов.
И.А. Рогов, И.И. Девяткин, Ю.С. Архангельский, В.А. Коломейцев, В.Г.Лысов, В.В. Игнатов и другие создали российскую школу СВЧ электротехнологов, разработали теорию, конструкции и исследовали характеристики установок СВЧ диэлектрического нагрева (СВЧ электротермических установок), создали методы математического моделирования реализуемых в них технологических процессов.
Позднее Н.Д. Девятков со своими сотрудниками показал возможность достижения определенного технологического эффекта при воздействии на обрабатываемый диэлектрик СВЧ электромагнитными колебаниями миллиметрового диапазона без существенного или заметного нагрева. Это направление пред-
5 ставляет большой практический интерес, поскольку открывает принципиально новые возможности получения технологического эффекта, природа которого, по-видимому, остается до сих пор не исследованной.
По нашему мнению, представляет научный и практический интерес системное рассмотрение как теплового, так и нетеплового (специфического, низкоэнергетического) модифицирующего воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на диэлектрики. Такое исследование должно включать в себя общие методологические основы изучения этого модифицирующего воздействия, экспериментальное подтверждение наличия нетеплового эффекта в дециметровом СВЧ диапазоне, который сегодня разрешён к применению в электротехнологических установках.
Актуальность темы. Одним из наиболее перспективных направлений развития хлопкопрядильной отрасли является разработка технологий производства новых видов смешанной хлопчатобумажной ткани, сочетающей положительные свойства натуральных и химических волокон.
Применение поликапроамидных (ПКА) волокон в смеси с другими химическими или природными волокнами для текстильных материалов позволяет придать последним свойства, которые отсутствуют у ПКА нитей, или в максимальной степени использовать их специфические свойства.
Одним из важных направлений в текстильной промышленности является повышение комплекса технологических свойств нитей путём физической модификации. Однако существующие методы модификации текстильных материалов не в полной мере отвечают современным требованиям. Использование СВЧ электромагнитных колебаний с целью улучшения качества и придания^ специфических свойств текстильным материалам является новым перспективным направлением.
Предварительные исследования показали, что нетепловая (кратковременная) обработка полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле изменя- ет их физико-механические свойства. В то же время остается невыясненной специфика нетеплового действия СВЧ электромагнитных колебаний на физико-механические свойства ПКА нитей. Поэтому исследования, направленные на разработку и оптимизацию технологии обработки ПКА нитей в СВЧ электромагнитном поле, являются весьма актуальными.
Целью работы является изучение возможности нетепловой модификации свойств ПКА нитей в СВЧ электромагнитном поле и разработка методов расчета рабочих камер СВЧ электротехнологических модифицирующих установок.
Достижение этой цели потребовало решения следующих задач:
1) подтвердить гипотезу о наличии нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на физико-механические свойства ПКА нитей; исследовать влияние режимов СВЧ обработки на физико-механические свойства ПКА нитей; разработать технологические рекомендации для процесса нетепловой модификации ПКА нитей в СВЧ электромагнитном поле; разработать методы расчета рабочих камер СВЧ электротехнологических установок для тепловой и нетепловой обработки ПКА нитей.
Методы и средства исследований. При решении поставленных задач теоретические и экспериментальные исследования опирались на основные положения СВЧ электротермии, физики и химии полимеров, технологию синтетических волокон.
В качестве технических средств при исследовании гипотезы о нетепловой модификации СВЧ электромагнитных колебаний на физико-механические свойства ПКА нитей использовались современные приборы: СВЧ воздействие на ПКА нити осуществлялось в камере со стоячей волной, магнетрон работал на частоте 2450 МГц при мощности 700 Вт, время воздействия измерялось с помощью электронного секундомера, для измерения температуры нитей применялись термометр и набор термопар ТХК, массу нитей определяли на элек-
7 тронных весах.
Для проведения исследований нетеплового модифицирующего СВЧ воздействия на диэлектрики разработана модульная конвейерная СВЧ установка с регулировкой уровня мощности и продолжительности процесса.
В качестве технических средств определения физико-механических свойств использовались контрольные приборы и инструменты: разрывная машина РМ-3-1 (ГОСТ 381-72) для определения прочностных свойств ПКА нити; аналитические весы ВЛА-200-М (ЗЛГ) для определения массы ПКА нитей; - двухлучевой оптический спектроанализатор на базе монохроматора МДР-23 для ИК спектроскопии ПКА нитей.
Научная новизна работы состоит в том, что проведено системное исследование нетеплового модифицирующего воздействия СВЧ электромагнитного поля на ПКА нити и предложены методы расчета рабочих камер СВЧ электротехнологических модифицирующих установок. В частности: выявлен факт нетепловой модификации физико-механических свойств профилированных ПКА нитей с помощью СВЧ электромагнитных колебаний; обнаружено влияние ориентации образца в СВЧ электромагнитном поле на величину получаемого эффекта; установлена зависимость физико-механических свойств ПКА нитей от времени воздействия и напряженности СВЧ электромагнитного поля; предложены конструкции и методы расчета рабочих камер СВЧ электротехнологических установок для СВЧ модификации ПКА нитей.
Практическая ценность работы заключается в разработке новой технологии модификации поликапроамидных профилированных нитей и в разработке конструкций рабочих камер СВЧ электротехнологических модифицирующих установок.
8 Научные положения, выносимые на защиту:
1) при кратковременном (до 15 с) воздействии СВЧ электромагнитных колебаний на ПКА нити, с частотой 2450 МГц при мощности до 200 Вт, не наблюдается повышение их температуры; при нетепловом воздействии СВЧ электромагнитных колебаний физико-механические свойства ПКА нитей (фактическая разрывная нагрузка, линейная плотность, относительное разрывное удлинение, удельная относительная разрывная нагрузка, термическая прочность) зависят от времени модифицирующего воздействия СВЧ электромагнитных колебаний и от величины напряженности электрического поля электромагнитной волны; нетепловое модифицирующее воздействие СВЧ электромагнитного поля на ПКА нити максимально при расположении нити в электромагнитном поле параллельно вектору Е;
Реализация результатов работы. Работа выполнена на основании плана научной работы ведущей научной школы России НШ - 9553.2006.8 (СГТУ).
Результаты диссертационной работы используются при чтении курса лекций по дисциплине «СВЧ электротермические установки и системы» для студентов специальности 14 06 05 — «Электротехнологические установки и системы» на кафедре «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» СГТУ и в дипломном проектировании.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 5-ой Международной научной конференции «Электромеханика, электротехнологиии и электроматериаловедение» (МКЭЭЭ-2003) г. Алушта, 2003 г., на 4-й Международной конференции молодых учёных и студентов «Актуальные проблемы современной науки» г. Самара, 2003 г., а также на научных семинарах кафедры «Автоматизированные электротехнологические установки и системы» СГТУ (2002-2008 гг.).
Публикации. По результатам диссертационной работы автором опублико-
9 вано 11 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 120 наименований, приложения, содержит 166 страниц основного текста, в том числе 45 страниц с 51 рисунком и 13 страниц списка литературы.
Нетепловое и комбинированное воздействие СВЧ электромагнитных колебаний
Замечено, что кроме теплового воздействия в определенных ситуациях фиксируется изменение обрабатываемого объекта практически без повышения температуры. В таком случае будем говорить о нетепловом воздействии СВЧ электромагнитных колебаний (поля, излучения). Если модификация свойств диэлектрика происходит при незначительном повышении температуры, то будем называть такое воздействие комбинированным.
В то же время выбор частоты СВЧ электромагнитных колебаний для нетеплового воздействия весьма ограничен, так как по международному соглашению [20,21] разрешены лишь частоты 433, 915, 2350, 5800, 22125 МГц. Именно на этих частотах могут работать СВЧ генераторы в СВЧ установках технологического назначения. Заметим, в работе [22] рекомендуется частоту СВЧ генератора для тепловой модификации выбирать в результате технико — экономической оптимизации параметров СВЧ электротермической установки.
Нетепловое воздействие СВЧ электромагнитного поля впервые заметили медики и биологи. До этого было принято считать, что гибель микроорганизмов наступает из-за быстрого нагрева всего объекта до температуры пастеризации (стерилизации). Позднее появились предположения о специфическом, нетепловом воздействии СВЧ электромагнитных колебаний на бактериальную клетку, проявляющемся на отдельных частотах даже при малых мощностях [10-12,23].
Несмотря на то, что предположение о специфическом воздействии электромагнитных колебаний было высказано ещё в середине сороковых годов, до 1952 г. экспериментально оно обнаружено не было. Обнаружить и исследовать прямыми методами нетепловое воздействие электромагнитных колебаний и в настоящее время оказывается задачей довольно трудной, так как оно сводится к тончайшим изменениям в организме и проявляется, как правило, лишь косвенно [11,24-27].
Влияние электромагнитных колебаний на функционирование центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы, органов пищеварения, выделительной системы и крови, возникающие в организме животных изменения при малых интенсивностях СВЧ электромагнитных колебаний изучались в ос 16
новном при плотности потока мощности не более принятой за максимально допустимый уровень СВЧ излучения при работе полную рабочую смену.
Хотя количество избыточной теплоты при этом и превышает нормальную теплоотдачу [26], все же наблюдающиеся сдвиги в организме трудно объяснить изменениями температуры в органах и тканях. Поэтому такие сдвиги рассматриваются в основном как нетепловые [12, 28].
Наиболее отчетливые изменения при воздействии СВЧ электромагнитных колебаний малой интенсивности наблюдаются в условно-рефлекторной деятельности животных. Так, у крыс после воздействия электромагнитных волн чаще наблюдались волнообразные изменения двигательных условных рефлексов [29]. Восстановление нормальной деятельности коры больших полушарий наблюдалось спустя лишь 2 месяца после прекращения воздействия. Тормозное состояние центральной нервной системы при воздействии электромагнитных колебаний малой интенсивности развивалось и у кролика [30]. Исследования влияния СВЧ излучений малых интенсивностей на функцию центральной нервной системы проводилось также на собаках [31]. Были установлены функциональные нарушения коры больших полушарий головного мозга.
При воздействии СВЧ электромагнитных колебаний нетепловой интенсивности на организм достаточно обстоятельно исследовалась сердечнососудистая система. Первые наблюдения были сделаны на собаках при облучении их СВЧ электромагнитными излучениями дециметрового диапазона. При этом были отмечены брадикардия, замедление предсердной и желудочковой проводимости и другие изменения по показаниям электрокардиограммы [31-33].
При воздействии СВЧ излучений малой нетепловой интенсивности изучались также двигательная функция желудочно-кишечного тракта и секреторная функция желудка. Под влиянием электромагнитных колебаний преобладала картина угнетения эвакуаторно-двигательной функции желудочно-кишечного тракта [34,35].
Таким образом, получены отчетливые изменения функций различных сие 17 тем не только при плотности потока мощности СВЧ электромагнитных колебаний около 10 мВт/см2, ниже которой принято считать отсутствие выраженных термических изменений, но и при еще меньших уровнях — 1 — 0,5 мВт/см2 [12,36].
Жизнедеятельность микробной клетки, все её функции всецело связаны с клеточными структурами. Её характерной особенностью, как и любой живой клетки, является наличие тесной взаимосвязи с окружением и сохранение относительного постоянства внутреннего состава при непрерывном самообновлении. Все это позволяет микроорганизму тонко регулировать и приспосабливать свой обмен веществ к изменяющимся внешним условиям обитания [11,37].
Бактерии относятся к микроорганизмам прокариотического типа. Основными компонентами бактериальной клетки являются клеточная стенка, цито-плазматическая мембрана и внутрицитоплазматические мембранные структуры, нуклеоид и различные включения — жир, волютин, гликоген и т.д. (рис. 1.1) [10]. К основным группам микроорганизмов, анализируемым в процессе сани-тарно - микробиологического контроля обсемененности пищевых продуктов, относятся кишечная палочка, стафилококк, клостиридиум перфрингенс и ряд других [10].
При достаточной мощности СВЧ электромагнитных колебаний достигается быстрый нагрев всей среды до температуры пастеризации (стерилизации), отчего происходит гибель микроорганизмов [4].
Способы модификации полимерных материалов
Поскольку в качестве исследуемых волокон в дальнейшем будут использованы полиамидные волокна , рассмотрим свойства этих материалов. Полиамидными волокнами называют все синтетические волокна, получаемые из полимеров, макромолекулы которых кроме метиленовых групп (СНз) содержат амидные группы (-NHCO-) [77].
Полиамидные волокна являются ценным материалом, широко применяемым для производства высококачественных товаров народного потребления (чулки, носки, трикотаж, тонкие ткани и т.п.) и технических изделий [91].
Штапельные полиамидные волокна используются главным образом в смеси с шерстью или хлопком для повышения носкости изделий. Добавка 10 - 12% полиамидного штапельного волокна к шерсти для изготовления технических сукон и платяных тканей повышает срок их службы в несколько раз.
Полиамидное волокно широко используется в технике главным образом как каркасный материал в различных резино - технических изделиях (тяжелые транспортерные ленты длиной в несколько сотен метров, приводные ремни и т.п.) и в пневматических авто- и авиашинах (уточный и безуточный корд). Из этих волокон изготавливаются легкие и очень прочные канаты, заменяющие тяжелые стальные тросы, рыболовные сети и снасти (не гниющие и невидимые в воде).
Поликапроамидные нити применяются для бельевого и верхнего трикотажа, блузочных, галстучных, платьево - костюмных тканей, хирургических ни 46 тей, фильтровальных сепарационных тканей, тканей для красящих лент ЭВМ, пишущих машин, кассовых аппаратов и телетайпов, подкладочных, платочных, корсетных, зонтичных, парусных тканей, кружевного и тюлевого полотна, лент для электротехнической промышленности, для изоляции монтажных и обмоточных проводов и т.п.
Полиамидные волокна характеризуются высокой степенью упорядоченности структуры и кристалличности. Вытянутые макромолекулы в кристаллических областях связаны между собой за счет межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей. Последние образуются между NH и С=0- группами соседних цепей и играют особенно большую роль в стабилизации надмолекулярной структуры полиамидного волокна. У такого волокна может наблюдаться неоднородность структуры, а именно наличие более ориентированного поверхностного слоя — ориентационной рубашки.
Быстрый рост производства полиамидных волокон обусловлен их ценными физико-механическими свойствами. К важнейшим из них, обеспечивающим широкое применение волокон, относятся следующие [75].
Прочность. Высокая прочность полиамидных волокон является следствием их высокой кристалличности, молекулярной ориентации и наличия сильных межмолекулярных связей. Разрывная прочность любого волокна зависит от условий и продолжительности нагружения и от температуры и влажности окружающей среды. Так, непрерывная нить из полиамидного волокна может выдерживать постоянную нагрузку 260 г только в течение 3 мин, нагрузку 220 г — около 300 мин, а нагрузку 200 г — практически неограниченное время.
Прочность полиамидной нити (800 - 1000МН/м2 или 70 - 80 гс/текс ) превосходит аналогичный показатель большинства химических волокон, некоторых металлов (алюминий, медь) и не уступает прочности стали. Сочетание высокой прочности полиамидных волокон с малой плотностью (1,14 г/см3) весьма выгодно для производства легких и прочных изделий.
Полиамидные волокна в отличие от некоторых других видов химических волокон обладают большой прочностью «в петле», «в узле» и в мокром состоянии. Потеря прочности в мокром состоянии составляет всего около 5 - 10% при незначительном повышении удлинения.
Удлинение. Удлинение полиамидных волокон может изменяться в широких пределах и определяется назначением изделий и условиями их эксплуатации. Так, удлинение кордной нити составляет 12-16%, текстильной нити — 25-35%, а штапельного волокна — 50-100%. С повышением удлинения волокна соответственно понижается его прочность, однако волокна, имеющие предельно большое удлинение, все же остаются достаточно прочными (35 - 40 гс/текс). Изменение прочности и удлинения полиамидных волокон достигается регулированием молекулярного веса полимера, условиями формования и вытягивания волокна. Разрывное удлинение зависит от влажности несколько больше, чем разрывная нагрузка, и работа, необходимая для достижения удлинения на 14% волокна в сухом состоянии вдвое больше, чем при 100% относительной влажности. На величину разрывного удлинения продолжительность нагружения, по-видимому, оказывает менее сильное влияние.
Эластичность. Высокие эластичные свойства полиамидных волокон являются одной из отличительных их особенностей. Волокно, подвергнутое действию механического напряжения, удлиняется. Если удлинение является обратимым, то волокно является абсолютно упругим.
Однако практически все волокна при растяжении имеют остаточное удлинение, уменьшающееся со временем (высокоэластичная деформация). Волокно, имеющее полностью обратимое во времени остаточное удлинение, является высокоэластичным, но не абсолютно упругим. Полиамидные волокна обладают почти полной обратимостью деформации даже после очень больших нагрузок. Необратимая деформация у них очень невелика за исключением случаев весьма больших нагрузок и высоких температур. Обычно принимается, что эта пластическая деформация является эластической, но с малой скоростью исчезновения.
Устойчивость к многократному изгибу. Полиамидные волокна обладают весьма высокой устойчивостью к многократным деформациям при изгибе — примерно в 100 раз большей, чем у вискозного волокна, и примерно в 10 раз большей, чем у хлопка и шерсти. По этому показателю полиамидные волокна превосходят натуральные волокна и большинство синтетических.
Устойчивость к истиранию. Высокая устойчивость к истиранию, как и устойчивость к многократным изгибам, определяет исключительную потребительскую ценность полиамидных волокон. По этому показателю они в 10 раз превосходят хлопок, в 20 раз шерсть, в 50 раз вискозное штапельное волокно и все другие синтетические волокна.
Небольшие добавки полиамидного штапельного волокна к натуральным и к некоторым химическим волокнам резко повышают устойчивость изделий к истиранию. Например, при добавке 15% капронового штапельного волокна к шерсти устойчивость ткани к истиранию повышается более чем в 4 раза.
Свойства полимерного волокнистого поликапроамида
Наши исследования показали, что нетепловое воздействие СВЧ электромагнитных колебаний повышает удельную относительную разрывную нагрузку Р0 ПКА нитей по сравнению с необработанными в среднем на 12% [90, 92, 93]. Установлено, что увеличение разрывной нагрузки, наблюдаемое уже при нетепловом СВЧ воздействии, при дальнейшем увеличении времени выдержки образца в СВЧ электромагнитном поле, когда фиксируется повышение температуры ПКА нитей, не изменяет этот показатель.
Результаты исследования влияния расположения образца в СВЧ рабочей камере на удельную относительную разрывную нагрузку Р0 показывают зависимость этой величины от ориентации нити относительно направления вектора напряженности электрического поля Е электромагнитной волны в рабочей камере в месте расположения обрабатываемой нити. Можно предположить, что различная ориентация полимерных цепочек
ПКА нитей по отношению к направлению вектора напряженности Е СВЧ электромагнитной волны вызывает разное изменение структуры ПКА нитей.
С целью выявления возможной релаксации физико-механических свойств обработанных в СВЧ электромагнитном поле ПКА нитей все испытания полуцикловых характеристик при разрыве одиночных нитей повторялись через 1, 7 и 30 суток. Обнаружено, что измененные свойства ПКА нитей являются стабильными в течение месяца, когда релаксация практически не происходит.
Объектом исследования являлись синтетические комплексные ПКА нити белого цвета круглого речения. Предмет исследования — проверка гипотезы о модифицирующем нетепловом воздействии СВЧ электромагнитных колебаний на ПКА нити. Для изготовления единичного экспериментального образца нить массой 1г равномерно наматывалась без натяжки в одном направлении на плоскую жесткую картонную оправку. СВЧ воздействие на образец проводилось в камере со стоячей волной на частоте 2450 МГц при мощности 700 Вт. Образец помещался в центре СВЧ камеры, в качестве балластной нагрузки использовался стеклянный стакан с 200г воды. В пределах одного эксперимента контролируемыми параметрами являлись время СВЧ воздействия на объект и его температура после СВЧ обработки. Время воздействия измерялось с помощью электронного секундомера. Для измерения температуры нитей применялся термометр и набор термопар ТХК (термопара хромель-копелевая). Массу нитей определяли на электронных весах. Экспериментальное оборудование показано на рис. 2.2.
Из многочисленных характеристик механических свойств нитей наиболее важными являются полуцикловые, получаемые при растяжении нитей до разрыва и при деформациях кручения нитей; одноцикловые, получаемые при однократном растяжении нитей под нагрузками или при деформациях меньше разрывных; многоцикловые, получаемые при многократных деформациях растяжения или изгиба [94].
Оценка физико-механических свойств ПКА нитей заключалась в определении полуцикловых характеристик при разрыве одиночной нити, определяющих её поведение в процессе эксплуатации.
Основным показателем полуцикловых характеристик является фактическая разрывная нагрузка нити Рф и напряжение при разрыве (разрывное напряжение) Ур [94-97]. Фактическая разрывная нагрузка нити Рф при растяжении — это максимальная нагрузка, которую растягиваемая нить выдерживает к моменту разрыва, и выражается в ньютонах3.
Классификация и структурные схемы СВЧ установок модифицирующего воздействия
СВЧ электротехнологические установки обычно широко применяются для тепловой обработки различных материалов (диэлектриков). В любой СВЧ электротехнологической установке происходит изменение свойств обрабатываемого объекта, например, вулканизация резины, приготовление пищи, сушка древесины. Если модификация есть изменение свойств обрабатываемого объекта, то можно сказать, что все СВЧ электротехнологические установки являются установками модифицирующего воздействия (СВЧ УМВ) [109].
Традиционно СВЧ электротехнологические установки, в которых модифицирующий эффект достигался только за счет нагрева объекта обработки, получили название электротермических установок (СВЧ ЭТУ). Если модифицирующее воздействие наступает практически без нагрева, то это СВЧ установки нетеплового воздействия (СВЧ УНВ). И наконец, те из СВЧ УМВ, в которых модифицирующий эффект достигается при незначительном нагреве, будем называть СВЧ установки комбинированного воздействия (СВЧ УКВ).
В рамках этой терминологии можно считать, что СВЧ УМВ делятся на три класса: установки термического (теплового), нетеплового и комбинированного воздействия на объект обработки (рис. 3.2). СВЧ УНВ и СВЧ УКВ - новые классы технологических установок, в которых используются электромагнитные колебания для СВЧ НО (нетепловой обработки) и СВЧ КО (комбинированной обработки) диэлектрических сред [ 109]. При разработке теории таких установок целесообразно использовать опыт создания теории СВЧ ЭТУ: вначале провести техническую классификация таких установок (рис. 3.2), а затем разработать методы расчета входящих в эту классификацию типов установок [7]. При любом назначении СВЧ ЭТУ она имеет структурную схему, показанную нарис. 3.3. Отличительной особенностью СВЧ ЭТУ является рабочая камера, в которой поглощает СВЧ мощность. Эта мощность и тратится на реализацию технологического процесса модификации. Поскольку нетепловое воздействие в СВЧ УНВ, достигнутое в каком-либо участке объема обрабатываемого объекта, при неравномерном воздействии СВЧ электромагнитным полем не передается к другим участкам наподобие передачи теплоты теплопроводностью, при проектировании СВЧ УКВ и СВЧ УНВ, работающих в периодическом режиме, особое значение приобретает задача обеспечения заданной равномерности распределения напряженности СВЧ электромагнитного поля по объему объекта. Добиться требуемой равномерности можно, учитывая изменения Є и tgo в процессе модификации.
Отличительной особенностью установок этого типа является необходимость поглощения в рабочей камере СВЧ электромагнитной мощности после её модифицирующего воздействия на диэлектрик. Поскольку при нетепловом воздействии поглощение СВЧ энергии чрезвычайно мало, речь следует вести о поглощении мощности, сравнимой с мощностью СВЧ генератора. В таком случае структурная схема СВЧ УНВ должна иметь вид, показанная на рис. 3.4. Рабочая камера установки в этом случае должна быть проходного типа, и мощность, прошедшая через камеру, должна быть рассеяна в специальной балластной нагрузке. Одной из наиболее востребованных является СВЧ УНВ для обработки тонких материалов, таких как тонкие пластинчатые материалы и синтетические нити, собранные в плоский пучок. Поскольку установки, реализующие нетепловое действие, представляют собой совершенно новый тип устройств, в их проектировании следует учитывать особенности нетепловой СВЧ обработки. Как и СВЧ ЭТУ, они должны обеспечивать заданный технологический режим, надежную работу СВЧ генератора, защиту обслуживающего персонала и окружающей среды от СВЧ излучений и быть экономически выгодными.
Основным генератором СВЧ энергии в технологических установках является магнетрон [110-112]. Однако элементом установки, определяющим её работу в первую очередь, является рабочая камера.
Поскольку технологический процесс происходит в рабочей камере, то при разработке и применении методов расчета камер необходимо исходить из их классификации (рис. 3.5) [7].
Что касается систем загрузки и выгрузки модифицируемого диэлектрика, то эти элементы структурной схемы принципиально ничем не отличаются от аналогичных элементов, используемых в СВЧ ЭТУ [22]. Лучевые камеры с неограниченным объемом представляют собой открытое пространство, в котором антенна, запитываемая от мощного генератора, облучает обрабатываемый объект.
