Содержание к диссертации
Введение
1 Металлизация тканей. Теория и практика применения . металлизированных тканей в быту и промышленности 11
1.1 Металлизированные ткани. Методы получения и основные свойства 11
1.1.1 Механические способы металлизации 11
1.1.2 Физические способы металлизации 14
1.1.3 Химические способы металлизации
1.2 Использование металлизированных тканей в быту и промышленности 27
1.3 Заключение и выводы по главе 43
2 Объекты и методы исследования 47
2.1 Характеристики использованных текстильных и прочих объектов исследования и вспомогательных материалов 47
2.2 Определение содержания меди в ткани, формы и размера металлических и иных частиц 50
2.3 Установка для обработки текстильных полотен в гидродинамическом поле 52
2.4 Методы определения физико - механических характеристик тканей 53
2.5 Образцы глины для проведения испытаний 56
2.6 Обработка результатов исследований 56
2.7 Заключение и выводы по главе 56
3 Выбор и обоснование модели металлизированного текстильного полотна. Разработка технологических основ способа обработки текстильных полотен с целью реализации предложенной модели .. 56
3.1 Явление рассеяния электромагнитных волн 56
3.2 Выбор и обоснование модели металлизированной ткани, использующей принцип рассеяния электромагнитных волн 61
3.3 Разработка способа реализации предлагаемой модели металлизированной ткани, рассеивающей проходящее через нее электромагнитное излучение
3.3.1 Электрогидравлический эффект. Метод электрического теплового взрыва 64
3.3.2 Металлизация текстильных полотен методом взрыва проволоки.. 67
3.3.3 Разработка способа металлизации текстильного полотна в гидродинамическом поле 3.4 Вывод расчетной формулы определения параметров металлизированного текстильного полотна для заданного диапазона длин волн резонансного рассеяния электромагнитного излучения 77
3.5 Заключение и выводы по главе 78
4 Исследование строения металлизированных текстильных полотен, полученных обработкой в гидродинамических полях 81
4.1 Устройство разрядной камеры для проведения испытаний по металлизации текстильных волокон в гидродинамическом поле... 81
4.2 Исследование характера распределения и формы металлических частиц в различных тканях после металлизации
4.2.1 Фотометрические исследования результатов обработки тканей 82
4.2.2 Исследование характера распределения концентрации меди в объеме и по толщине текстильного полотна после обработки в гидродинамическом поле 92
4.3 Заключение и выводы по главе 97
5 Исследование свойств текстильных полотен, металлизированных в гидродинамическом поле 98
5.1 Результаты испытаний физико - механических свойств металлизированных текстильных полотен 98
5.2 Исследование фунгицидных свойств текстильных полотен, металлизированных в гидродинамическом поле
5.2.1 Антимикробные добавки. Медь как антибактериальная или фунгицидная добавка 107
5.2.2 Исследование текстильных полотен, металлизированных в гидродинамическом поле, на стойкость к воздействию плесневых грибов
5.3 Исследование радиозащитных свойств текстильных полотен, металлизированных в гидродинами ческом по л е 117
5.4 Получение огнестойких покрытий натуральных текстильных полотен 122
5.5 Заключение и выводы по главе 133
6 Заключение и основные выводы 134
Список использованных источников
- Использование металлизированных тканей в быту и промышленности
- Установка для обработки текстильных полотен в гидродинамическом поле
- Разработка способа реализации предлагаемой модели металлизированной ткани, рассеивающей проходящее через нее электромагнитное излучение
- Исследование характера распределения и формы металлических частиц в различных тканях после металлизации
Введение к работе
доктор технических наук, профессор Рудин А.Е.
Актуальность темы. В настоящее время среди технических текстильных материалов выделился особый весьма перспективный вид, создание которого связано с развитием нано- и биотехнологий, использованием последних достижений физики и химии. Это так называемый функционально активный текстиль, каждый конкретный вариант которого разрабатывается в соответствии с определенным назначением. Именно назначение и определяет, какие модифицирующие компоненты используются для придания текстилю тех или иных свойств. Особенно актуально создание таких материалов в нынешних кризисных условиях, когда резкое падение объемов текстильного производства в условиях ужесточения конкуренции настойчиво подталкивает отечественных производителей к кардинальному пересмотру ассортиментного ряда изделий, завоеванию новых сегментов рынка за счет расширения выпуска изделий, востребованных потребителем . Одна из важнейших сегодня функций текстиля — защитная. В настоящее время на рынке появилось много самых разнообразных текстильных изделий, реагирующих на изменения окружающей среды и сводящих к минимуму ее вредные воздействия. Среди наиболее известных следует отметить антимикробные и антигрибковые изделия, тканые поглотители и экраны электромагнитных волн. Тканые экранирующие материалы применимы везде, где требуется защититься от проникновения электромагнитного поля. Для получения вышеуказанных свойств, наиболее часто используют металлизацию тканей, в первую очередь синтетических полиэфирных полотен. Для этого, часть уточных нитей в ткани заменяют металлическим проводом или фольгированной нитью. Возможны и другие варианты металлизации, в частности, текстиль с защитным покрытием толщиной до 15мкм, полученным способом вакуумного напыления. Однако таким методом нельзя напылить покрытие на хлопок или шерсть, т.к. в них слишком много влаги — установка перестает работать в штатном режиме. Таким же способом пытались обрабатывать и лён, но льняная нить не ровная, не однородная, его элементарные волокна имеют веретенообразную поверхность, сильно засорены остатками костры и иных включений, так что металлизировать льняные текстильные полотна существующими методами оказалось проблематично. В то же время льняное сырье, наряду с хлопком занимает до 85% отечественного рынка. Поэтому задача разработки способов металлизации тканей на основе натуральных волокон для отечественных производителей является крайне актуальной.
Цель и задачи исследования. Проектирование и разработка метода производства металлизированных текстильных полотен на основе натуральных и синтетических волокон путем обработки в гидродинамическом поле методом теплового взрыва с целью получения новых видов технического текстиля с защитными свойствами. Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:
-
Предложить теоретическую модель металлизированного текстильного полотна.
-
Теоретически рассчитать параметры металлизированной ткани согласно предложенной модели металлизированного текстильного полотна.
-
Рассчитать и изготовить разрядную камеру установки для металлизации текстильных полотен методом теплового взрыва в воде.
-
Получить образцы металлизированных текстильных полотен из натуральных и синтетических волокон.
-
Исследовать физико–механические, электрические, радиозащитные, гигиенические и др. свойства полученных металлизированных образцов текстильных полотен.
-
Провести сравнительный анализ свойств металлизированных текстильных полотен со свойствами исходных тканей и тканей, металлизированных другими способами, сделать заключение и дать практические рекомендации по применению предложенного метода в промышленности.
-
Предложить новый способ повышения огнестойкости натуральных текстильных полотен.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Предложена теоретическая модель металлизированного текстильного полотна, в виде структуры, состоящей из ткани и распределенных случайным образом по ее объему проводящих сферических металлических частиц.
2. В соответствии с предложенной теоретической моделью, разработан способ получения металлизированных текстильных полотен путем обработки в гидродинамическом поле методом теплового взрыва;
3. Изучены размеры и форма металлических частиц, способы закрепления их в объеме материала, характер распределения в объеме ткани;
4. Исследованы физико–механические, электрические, радиозащитные, гигиенические и др. свойства полученных металлизированных образцов текстильных полотен.
Методы исследования. При проведении экспериментальных исследований свойств металлизированных текстильных полотен использовались стандартные методы текстильного материаловедения, а также автоматизированные приборы STATIGRAF – L, M ICROCOLOR, WIRA. Определение содержания металла в ткани осуществляли с помощью программно – аналитического комплекса на основе портативного рентгенофлюоресцентного кристалл–дифракционного сканирующего спектрометра «СПЕКТРОСКАН». Термогравиметрические исследования проводились на дериватографе фирмы МОМ Q – 1500D (Венгрия) системы – F. Paulik, J. Paulik, L. Erdey. Электрические и радиоизмерения проводились на лабораторном оборудовании кафедры физики СПГУТД. Микробиологические исследования проведены в лаборатории биологических методов экологической безопасности при Центре экологической безопасности РАН РФ. Размеры металлических частиц и характер их закрепления в объеме материала изучались с помощью сканирующего электронного микроскопа. Обработка экспериментальных данных при исследовании свойств и структуры металлизированных текстильных полотен осуществлялась на персональной ЭВМ с помощью пакетов прикладных программ «STATGRAPHICS 3.0», «ORIGIN 5.0», «GRAFULA 2.0» с применением методов математической статистики, регрессивно-корреляционного анализа и планирования эксперимента.
Практическая значимость заключается в разработке нового универсального способа металлизации текстильных полотен, позволяющего наносить на них любые проводящие металлы или их сплавы, получать широкий спектр новых эксплуатационных свойств текстильных материалов, необходимых для различных отраслей промышленности. Разработана и изготовлена специальная разрядная камера для металлизации текстильных полотен методом теплового взрыва в гидродинамическом поле. Получены опытные образцы текстильных полотен, из натуральных и синтетических волокон, и выявлен характер зависимости металлизации от состава, плотности, толщины ткани и других параметров материала; изучены их потребительские свойства, сделано заключение и даны практические рекомендации по применению таких полотен в промышленности.
Получено уведомление от 21.07.2010 о положительном результате на заявку №2010109124/07(012777) от 11.03.2010 «Способ получения наноразмерного токопроводящего материала электрическим разрядом в жидкости».
Настоящая работа выполнялась в рамках научного гранта Санкт – Петербургского государственного университета «Развитие концепции создания комбинированных и многослойных структур на основе волокнистых элементов, разработка физических и биохимических методов оптимизации их функциональных свойств», ряд этапов работы проводились в рамках Федеральной Программы РФ “Лен в товары России”, международной программы “Наука ради Мира” (Проект NATO SFP - № 973658 – Improving the performance of flax blended yarns produced on cotton and wool spinning system).
На защиту выносится:
-
Метод производства металлизированных текстильных полотен.
-
Научно обоснованная структура металлизированной ткани, использующая принцип рассеяния электромагнитного излучения на проводящих частицах, диспергированных определенным образом в ее объеме.
-
Технология изготовления текстильных полотен в виде металлизированных тканей на натуральной и на синтетической основе, обладающих рядом защитных свойств.
-
Теоретическая модель для оптимизиции и проектирования технологического процесса получения металлизированных текстильных полотен.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на следующих конференциях: всероссийской юбилейной научно технической конференции «Дни науки» (Санкт – Петербург 26 – 30 апреля, 2003г.); международной научно – технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ – 2006) Москва, 28 – 29 ноября 2006 г.; V всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ» (Уфа, 16 – 18 декабря 2008г.); межвузовских научно – технических конференциях студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (Дни науки 2007 - 2010 г.г.) Санкт – Петербург (СПГУТД); на научных и научно – методических семинарах кафедр МТВМ и физики СПГУТД (2007 – 2010 гг.)
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 14 печатных работ, из них 7 статей, в том числе две статьи в журнале, входящим в список изданий, рекомендованных ВАК и 7 докладов на международных и всероссийских научно – технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 113 наименований, 3 приложений. Работа содержит 158 страниц, 35 рисунков и фотографий, 29 таблиц.
Использование металлизированных тканей в быту и промышленности
Основными естественными электромагнитными полями являются атмосферное электричество, постоянное магнитное поле Земли и геомагнитные поля, возникающие при взаимодействии земного магнитного поля с межпланетной средой [36]. Атмосферное электричество— это электрические явления в земной атмосфере. В воздухе всегда имеются положительные и отрицательные электрические заряды — ионы, которые возникают под действием лучей радиоактивных веществ, космических лучеій и ультрафиолетового излучения Солнца. Ионы подвижны и поэтому могут переносить электрические заряды, т. е. создают электропроводность воздуха. Постоянное магнитное поле Земли генерируется токами, текущими на глубинах гораздо ниже земной коры. Величина геомагнитного поля меняется по земной поверхности от 35 мкТл на экваторе до 65 мкТл вблизи полюсов. Солнечная активность и связанные с ней возмущения межпланетной среды генерируют изменяющиеся во времени магнитные поля обще планетарного масштаба главным образом в ультрапизкочастотном диапазоне. Пульсации геомагнитного поля в часютной области 0,001-10 Гц часто наблюдаются по всему земному шару с амплитудами 0,1-100 мкТл. Кроме есіественньїх источников, созданных природой, источниками ЭМП являются промышленные и бытовые электроприборы, а іакже электрические сети различного назначения и передающие антенны. Источники излучения, созданные человеком, очень разнообразны. Это электропроводка квартиры, промышленные электроприборы, бытовая электротехника (холодильники, телевизоры, пылесосы, миксеры, электропечи, СВЧ - печи, радио — и мобильные телефоны). Электромагнитные излучения диапазона 3-300 МГц широко используются в области радиовещания и связи. Электромагнитные излучения диапазона 300 МГц-300 ГГц широко используется в промышленных установках различного назначения (радиорелейная, тропосферная, спутниковая системы связи). СВЧ энергия используется в устройствах бытового назначения — микроволновых печах (2450 МГц или X = 12,3 см).
Источниками статических электрических полей являются электризующиеся диэлектрические материалы, установки постоянного тока и воздушные высоковольтные линии (ВЛ) постоянного тока." Трение и деформация изделий практически всегда сопровождаются электризацией поверхности, которая усиливается вследствие интенсификации технологических процессов, увеличения мощности агрегатов [37]. В диапазоне длинных, средних, коротких и ультракоротких волн работают радиопередающие средства вещания и связи. Источниками наиболее интенсивного электромагнитного излучения в радиотехнических системах являются антенны различного конструктивного исполнения. Антенны устанавливаются на крышах зданий. Несмотря на физические различия, во всех источниках электромагнитного излучения, будь то радиоактивное вещество, лампа накаливания или телевизионный передатчик, это излучение возбуждается движущимися с ускорением электрическими зарядами. Наиболее высокие частоты, соответствующие миллиметровым и сантиметровым волнам, генерируются клистронами и магнетронами -электровакуумными приборами с металлическими объемными резонаторами, колебания в которых возбуждаются токами электронов.
Влияние электромагнитных полей на организм человека Многие специалисты относят ЭМП к числу сильнодействующих экологических факторов, приводящих к катастрофическим последствиям для всего живого. Экспериментальные данные как отечественных, так и зарубежных исследователей свидетельствуют о высокой биологической активности ЭМП во всех частотных диапазонах. Любой живой организм - это система, жизнедеятельность которой сопровождается протеканием множества микро- и макроскопических процессов. Организм существует благодаря тесной связи и согласованности деятельности его органов и систем. Известно, что эта согласованность обуславливается многочисленными колебательным процессам, протекающими на разных уровнях иерархии жизненных систем организма (начиная с окислительно-восстановительных процессов в клетке и кончая колебательными взаимодействиями между различными органами)[36]. В живом организме тесно переплетены колебания различных типов, например, механические и электрические, и возбуждение одного типа колебаний может вызывать возбуждение других (например, механические движения обусловлены процессом распространения нервного импульса). Резонно предположить, что и внешнее резонансное воздействие одного типа (например, механическое) способно привести к раскачке колебаний другого типа (электрических).
Организм - система автоколебательная и нелинейная. Это подразумевает существование системы резонаторов, налаженных "устройств" восполнения энергии, нелинейного ограничителя нарастания колебаний и обратной связи между резонатором и источником энергии. За обратную связь в масштабах всего организма чаще всего ответственна нервная система, как система с наибольшей скоростью передачи сигнала. В масштабах же таких колебательных систем, как нервная, кровеносная система, сердце, - обратную связь осуществляют электрохимические процессы и механические передвижения. Соизмеримость размеров тела и органов человека, с длиной излучаемых электроприборами волн усиливает биологическую эффективность [38]. Частота является носителем информации, а виды колебаний в организме могут трансформироваться друг в друга. Поэтому можно полагать, что резонансный отклик организма возможен на одних и тех же частотах при совершенно различных типах воздействия на него (электромагнитных, акустических, гравитационных и т.п.). Далее уже встает вопрос о предпочтительности того или иного воздействия и его эффективности, но реакция организма, безусловно, должна существовать. Это предположение подтверждается результатами различных экспериментов. Известны также опыты по исследованию влияния низкочастотных (0.011 - 0.17 Гц) осцилляции атмосферного давления с амплитудой 30-50 Па [39] , где отмечается резкое изменение функционирования сердечно-сосудистой системы при воздействии колебаний с частотами 0.02, 0.03, 0.07, 0.17 Гц.
В процессе эволюции человек как вид постоянно приспосабливался к ритмике внешней среды. И какие-то особо устойчивые ритмы могли быть "записаны" в нем на уровне характерных частот протекания внутренних процессов. Отсюда можно сделать вывод, что смена привычной частотной обстановки внешних воздействий (появление или исчезновение характерных частот) может вызвать десинхронизацию, что ведет к дисфункции систем и органов. В частности, это может быть одной из причин длительной адаптации при переезде на большие расстояния. Поэтому длительность адаптации может определяться тем, насколько основательна частотная перестройка организма. Этим же может объясняться реакция людей и животных на магнитные бури [40 - 42].
Установка для обработки текстильных полотен в гидродинамическом поле
Характер взаимного расположения нитей в виде решетки обусловливает способность ткани защищать от ЭМИ различных поляризаций. Если в зоне электромагнитного поля, распространяющегося от удаленного -источника, поместить проводящий цилиндр, то индуцированные в нем токи будут пропорциональны напряженности электромагнитного поля и,4 кроме того, будут зависеть от ориентации цилиндра относительно фронта - падающей волны и от направления вектора напряженности электрического поля. Если цилиндр имеет вид проволоки, диаметр которой мал по сравнению с длиной волны, то индуцированный ток будет максимальным, когда проволока параллельна вектору Е падающей волны. Если проволоку разрезать посередине и к образовавшимся выводам присоединить нагрузку, то к ней будет подводиться энергия, как это и имеет место в случае радиоприемника. Токи в этой проволоке ведут себя так же, как и переменные токи в передающей антенне, а потому она тоже излучает поле в окружающее пространство (т.е. происходит рассеяние падающей волны). На этом принципе работают все металлизированные ткани, в которых по утку или основе используется металлические проводники в виде проволоки !или фольгированной нити. Такие ткани, хорошо зарекомендовали себя как материал для спецодежды, поскольку наибольшей эффективностью эти защитные средства обладают в СВЧ диапазоне, однако на более высоких частотах их применение, как уже указывалось выше, ограничено дифракцией. Организм же человека чувствителен к электромагнитным колебаниям в области сверхвысоких частот (30 - 300 ГГц). Здесь самый малый сигнал оказывает влияние на состояние важнейших составляющих организма - плазмы крови и клеток, при этом энергии внешних сигналов может быть достаточно для их повреждения. Таким образом, применение имеющихся защитных тканей с такого рода металлизацией в; таком частотном диапазоне является не эффективным.
Критический анализ существующих способов получения металлизированных тканей путем создания на поверхности проводящего металлического слоя, таких как, например, описанная; вьішб ітішнь «Метакрон» и ей подобных, показывает их ограниченность, с.точки [зрения недорогих бытовых металлизированных тканей в достаточности J-для промышленности объемах. Как было указано в первой! главеІЇ все выпускающиеся на сегодняшний день металлизированные-ткани либо поглощают, либо отражают энергию падающей электромагнитной волны. Поглощающие ткани очень дороги и не технологичны.: Отражающие : не всегда возможны к применению по причине своей опасности1; для окружающих. Поэтому нужны новые подходы к созданию текстильных материалов для защиты от ЭМП. :
В качестве одного из таких подходов может! быть создание текстильных материалов эффективно рассеивающих электромагнитные волны в требуемом диапазоне частот. Как указывалось выше потери энергии падающей электромагнитной волны происходят не только1 из —. за поглощения и отражения, но также и из - за рассеяния . Такой материал должен содержать рассеивающие «неоднородности» в -виде частичек проводящей среды, расположенных по всему его объему. ;v " Процесс рассеяния электромагнитных волн состоит в заимствовании молекулой или частицей энергии у распространяющейся в \ среде электромагнитной волны и излучении этой энергии в телесный угол, вершиной которого, является рассматриваемая частица/Молекула или частица физически одинаково рассеивают электромагнитныеволны, однако механизм этого рассеяния зависит от размеров частицы. : В ряде случаев оказывается достаточным описание :! рассеяния электромагнитной волны в рамках волновой теории излучения. С; точки зрения этой теории электрическое поле распространяющейся в веществе электромагнитной волны раскачивает входящие в состав атомов" и молекул электроны, и они становятся центрами вторичных сферических ; волн, излучаемых во все стороны. Поэтому распространение электромагнитной волны в веществе должно, казалось бы, всегда сопровождаться рассеянием. Однако в прозрачной однородной среде плоская волна; распрбетрайяетя только в одном направлении, не испытывая рассеяния в; стрроны ГГакой результат сложения всех вторичных волн обусловлен их когерентностью; С макроскопической точки зрения рассеяние электромагнитных .волн іможет быть обусловлено только неоднородностями среды, ч Рассеяние электромагнитных волн происходит и тогда, когда сами частицы, имеют размеры, меньшие длины волны падающего излучения или диэлектрическая проницаемость среды является функцией координат. Такие/среды называют мутными. Основные закономерности рассеяния света в мутных средах .были впервые экспериментально исследованы Тиндалем в 1869 г. Количественная теория была развита Рэлеем, а физическая природа молекулярного рассеяния была объяснена в 1908 году М. Смолуховским. Теория рассеяния электромагнитных волн на сферических частицах, размеры которых, порядка или больше длины волны, была впервые разработана немецким физиком Дж. Ми в 1908 году [75]. Рассеяние Ми можно рассматривать как дифракцию плоской волны на однородных одинаковых сферах, хаотически распределенных в однородной среде и находящихся друг от друга на расстояниях, больших по сравнению с длиной волны. Рассеяние электромагнитных волн может быть упругим: (частота рассеянной электромагнитной волны такая же, как у падающей)" и комбинационным, характеризующимся изменением частоты по ;сравнению;с падающей электромагнитной волной. Последнее рассеяние носит квантовый характер, и мы его рассматривать не будем.
В качестве примера рассмотрим типовую задачу о рассеянии электромагнитных волн на неоднородностях среды. Пусть «оптическая» неоднородность создается одинаковыми шариками радиуса а, беспорядочно распределенными по объему, занятому средой. Пусть среднее расстояние между шариками велико по сравнению с а, а сами шарики1 малы,"1; .тю сравнению с длиной волны X. Тогда при вычислении .напряженности электрического поля Еш внутри шарика можно считать внешнее поле электромагнитной волны однородным. Пусть средняя концентрация шариков в единице объема равна С,, Так как расстояния между шариками, велики по сравнению с а, и они распределены по объему V случайным образом, то для нахождения интенсивности рассеянного излучения надо просто сложить интенсивности рассеяния отдельными шариками. Если расстояние от рассматриваемого объема до точки наблюдения велико по сравнению с размерами самого объема, то согласно [76] интенсивность рассеянного излучения будет равна: где Л - длина волны в вакууме, V = 4/3 ла3 - объем шарика, V - объем материала.
Рассчитаем убывание интенсивности 1о падающего излучения из - за рассеяния в среде, содержащей большое количество рассеивающих шариков. Выделим в среде произвольный цилиндр, площадь поперечного сечения которого равна единице, а образующие параллельны оси Z. Мысленно выделим из него бесконечно малый прямой цилиндр длиной dz. Потеря энергии на рассеяние в таком цилиндре равна Рш , dz. Отсюда мы можем для выделенного цилиндра записать уравнение для потери энергии на пуіи dz dl = -jldz, (3.2) где х- коэффициент рассеяния, который в соответствии с формулой (3 1) равен =24 Ч2ҐЛ ІЧ - - (3-3) Анализ полученной формулы показывает, что величина рассеянной энергии электромагнитной волны в среде с шариками зависит для излучения с данной длиной волны от материала, размера шариков и их концешраций.
Разработка способа реализации предлагаемой модели металлизированной ткани, рассеивающей проходящее через нее электромагнитное излучение
Электрогидравлический эффект (ЭГЭ) - способ преобразования электрической энергии в механическую, совершающийся без посредства промежуточных механических звеньев, с высоким КПД. Сущность этого способа состоит в том, что при осуществлении внутри объема жидкости, находящейся в открытом или закрытом сосуде, специально сформированного импульсного электрического (искрового, кистевого и других форм) разряда вокруг зоны его образования возникают сверхвысокие давления, способные совершать полезную механическую работу и сопровождающиеся комплексом физических и химических явлений.
В основе электрогидравлического эффекта лежит явление резкого увеличения гидравлического и гидродинамического эффектов при осуществлении импульсного электрического разряда в ионопроводящеи жидкости при условии максимального укорочения длительности импульса, максимально крутом фронте импульса и форме импульса, близкой к апериодической [78]. Длительность импульса тока измеряется в микросекундах, поэтому мгновенная мощность импульса тока может достигать сотен тысяч киловатт. При подаче напряжения на разрядные электроды в несколько десятков киловольт амплитуда тока в импульсе достигает десятков тысяч ампер. Все это обуславливает резкое и значительное возрастание давления жидкости, вызывающее в свою очередь мощное механическое действие разряда, которое может быть использовано для решения целого ряда технологических задач [79].
Принципиальная электрическая схема получения Принципиальная электрическая схема получения ЭГЭ [79]. электрогидравлического эффекта (представлена на рис. ) достаточно проста и состоит из трансформатора Тр , зарядного сопротивления R, выпрямителя V, формирующего искрового промежутка ФП, конденсатора С и емкости с рабочей жидкостью, в которой имеется искровой промежуток РП [79].
При пробое жидкости вокруг канала разряда возникает зона высокого давления, диаметр которой пропорционален мощности импульса. Высокие гидравлические давления по мере удаления от разряда быстро падают, примерно пропорцрюнально квадрату расстояния от пего. Жидкость, получив ускорение от расширяющегося с большой скоростью канала разряда, перемещается от него с большой скоростью во все стороны, образуя на том месте, где был разряд, значительную по объему полость, названную кавитациониой, и вызывая первый (основной) гидравлический удар. Затем полость также с большой скоростью смыкается, создавая второй кавитационный гидравлический удар. Ыа этом единичный цикл электрогидравлического эффекта заканчивается, и он может повторяться неограниченное число раз соответственно заданной частоте следования импульса.
Осуществление электрогидравлического эффекта связано с относительно медленным накоплением энергии в источнике питания и практически мгновенным ее выделением в жидкой среде. Это приводит к так называемому электрогидравлическому удару. Электрогидравлический удар даже в очень больших объемах жидкости вызывает появление давлений в десятки тысяч атмосфер. Возникают очень мощные потоки жидкости, способные переносить предметы, помещенные в нее с большими скоростями. Таким образом, если в жидкости поместить взвешенные металлические частички, то при электрогидравлическом ударе они будут двигаться вместе с потоками жидкости и проникать в материал на глубину, которую позволит плотность материала. Проблема заключается в том, что частицы будут находиться во взвешенном состоянии в жидкости только в случае, если их плотность будет меньше плотности рабочей жидкости, что сложно осуществить, например, для металлических частиц, хотя понятие жидкости, как среды для возникновения электрогидравлических ударов, может быть расширено па все эластичные или даже твердые материалы. Проблема технически может быть решена за счет специальных способов получения электрогидравлического эффекта. Электрогидравлический эффект может быть получен в результате метода «теплового взрыва» (электрического взрыва проволоки), при котором искровой разряд между электродами, помещенными в жидкость, заменяется электрическим тепловым взрывом проводящего ток элемента, замыкающего электроды. Суть метода, названного электрическим взрывом проволочки (ЭВП) заключается в испарении металлических проволочек, которыми предварительно замыкаются электроды [80]. В основных чертах этот взрыв можно охарактеризовать следующим образом. После замыкания разрядной цепи можно наблюдать три стадии процесса. Первая стадия заканчивается переходом проволочки в непроводящее состояние. После этого наступает вторая стадия - пауза тока. Пауза тока длится до тех пор, пока плотность газа в расширяющемся после взрыва канале не упадет настолько, что окажется возможным пробой газа под действием оставшегося на конденсаторе напряжения. Наступает последняя, третья стадия - разряд по газовому каналу.
Известна возможность инициирования разрядов проволочками из материала, реакция которого с кислородом, образующимся в результате диссоциации воды, обладает большим тепловым эффектом. Такими материалами являются алюминий, цирконий, бериллий. Тепловой эффект экзотермических реакций способен существенно увеличить механическую работу, совершаемую каналом.
Исследование характера распределения и формы металлических частиц в различных тканях после металлизации
Обработку тканей проводили в воздушной среде и в воде. Взрыв проволочки на воздухе и в жидкости отличается лишь тем, что в воде кроме разлета частичек металла возникает еще и ударная волна из - за описанного выше электрогидравлического эффекта.
Исходя из вышесказанного и задачи, направленной на создание бытовых металлизированных тканей обработке подвергались льняные, хлопко - льняные, хлопчатобумажные ткани и полиэфирные ткани с различной плотностью поверхности.
Как уже говорилось выше обработка на воздухе и в воде отличаются лишь плотностью среды и соответственно размерами получающегося металлического порошка, проникающего в ее объем. Обработку вели следующим образом: каждый исследуемый образец ткани подвергался металлизации в трех режимах в воде и на воздухе. Всего по 10 образцов каждого вида ткани в каждом из режимов. В общей сложности испытаниям были подвергнуты 90 образцов ткани. Первый режим - 5 взрывов проволочки, второй - 10 взрывов проволочки, третий - 15 взрывов проволочки, тем самым мы регулировали содержание меди в ткани. Режимы выбраны исходя из расчетов по предложенной формуле для получения ослабления электромагнитного излучения в СВЧ, КВЧ и ИК - диапазоне в 2, 3 и 5 раз соответственно. 4.2.1. Фотометрические исследования результатов обработки тканей
Фотометрическое исследование обработанных металлом образцов проводилось на кафедре МТВМ СПГУТД на приборе Microcollor 2000 250В-Внешний вид и описание установки представлен в Приложении.
При проведении испытаний в воздушной среде все виды тканей не выдерживали ту температуру, которая возникала в разрядной камере при взрыве проволоки и обугливались, поскольку образовавшиеся пары металла в камере имеют температуру в несколько сотен градусов. Несмотря на то, что процесс разряда длится микросекунды, в ткани успевают происходить реакции взаимодействия с кислородом воздуха. Решением этой проблемы здесь может быть замена газовой среды в виде воздуха, на газовую среду, не содержащую кислорода. На рисунках 9-11 приведены фотографии поверхностей таких тканей после обработки на воздухе.
Для этого необходимо внести конструктивные изменения в узел для обработки, поместив разрядную камеру в герметичный кожух (с системой продува), заполненный, например, инертным газом или сероводородом. Но это заметно удорожает процесс, а в случае сероводорода потребует и дополнительных мер безопасности. Поэтому при выборе среды обработки мы остановились на воде, как самом доступном и простом по технологии способе обработки ткани. Цилиндрический стакан, в который помещалась разрядная камера с тканью, заполнялся водой.
Результаты исследований образцов хлопчатобумажной, хлопко -льняной, льняной и синтетической тканей представлены на рис. 12 - 15. Рис.12. Образец льняного полотна после обработки в воде. Увеличено в 84 раза.
Из приведенных фотографий видно, что частички металла, полученные при взрыве медной проволоки в воде, все имеют форму близкую к сферической и случайным образом распределяются в объеме ткани, удерживаясь внутри за счет механического взаимодействия с волокнами. Это подтверждает приведенные выше литературные данные о форме частиц металлов, полученных при электрическом взрыве проволоки. Причем, несмотря на то, что все натуральные ткани, которые исследовались в настоящей работе, имеют разную поверхностную плотность и состав, это никак не отражается на форме частиц и их распределении в объеме ткани.
Как и предполагалось, та же картина наблюдалась и в случае синтетических тканей (в частности полиэфирного полотна с различной поверхностной плотностью). Форма частиц также оказалась близкой к сферической при случайном их распределении в объеме ткани. Результат исследования приведен на Рис.15. Образец окрашенного полиэфирного полотна после обработки в воде. Увеличено в 84 раза. Как видно на фотографии частицы металла также имеют форму близкую к сферической располагаются в объеме материала случайным образом. При этом видно, что поверхность крупных частиц не является гладкой, а содержит некоторое количество более мелких частиц. Можно было предположить, что это связано с присутствием молекул красителя в воде при помещении в нее обрабатываемого материала. Однако аналогичную картину наблюдали авторы уже цитировавшейся работы [84], которые исследовали продукты взрыва титановой фольги. Поэтому можно предположить, что эта особенность характерна для всех наиболее крупных частиц металла, полученных при электрическом взрыве проволоки. В этой же работе исследован характер разброса металлических частиц по размерам и установлено, он близок к нормальному распределению. Поэтому мы этот вопрос не исследовали, а руководствовались этими данными.
Размеры металлических частиц и характер их закрепления в объеме материала изучались с помощью сканирующего электронного микроскопа. Как показали данные исследования средние размеры частиц, их форма и характер распределения не зависят от структуры и строения обрабатываемого материала, а определяются только средой, в которой осуществляется обработка, и параметрами установки, что подтверждает приведенные выше в главе 3 литературные данные. В то же время характер закрепления металлических частиц в объеме материала отличается для натуральных полотен и термопластичных синтетических. На рис. 16 - 17 показаны размеры и способ закрепления металлических микрочастиц в объеме полиэфирной ткани.
Чисто механическое закрепление частиц металла в объеме ткани. Увеличение в 2000 раз. Рис.17 . Образец полиэфирной ткани после обработки в воде. Закрепление частиц металла в объеме за счет частичного оплавления поверхности волокна ткани. Увеличение в 1200 раз. На приведенных фотографиях видно, что характер закрепления металлических частиц в объеме ткани определяется их температурой в момент соударения с волокнами ткани. Если к моменту столкновения частица металла успела остыть и ее температура меньше, чем температура плавления полимера, то она застревает в объеме ткани чисто механически. Если в момент столкновения температура частицы больше, чем температура плавления полимера, то происходит ее вплавление в поверхность волокна. Естественно, что во втором случае металлические частицы более прочно удерживаются в объеме волокна, в частности при стирке. Для того, чтобы определить насколько прочно частички меди закреплены в металлизированных тканях были проведены следующие испытания: стирка (5 стирок) и химическая чистка исследуемых тканей.
Похожие диссертации на Проектирование и разработка метода производства защитных металлизированных тканей
