Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Современные представления о старении электроизоляционных материалов при воздействии климатических факторов 12
1.1. Влияние состава и структуры кабельных пластиков на стойкость к погодным условиям 12
1.2. Теплофизические и электрофизические свойства некоторых электроизоляционных материалов 19
Глава 2. Исследуемые объекты и экспериментальные установки для измерения теплофизических и электрофизических свойств композиционных материалов 29
2.1. Характеристика объектов и методика приготовления образцов. ...29
2.2. Методы измерения теплопроводности и теплоемкости твердых тел в зависимости от температуры 30
2.3. Экспериментальная установка для измерения температуропроводности композиционных материалов 42
2.4. Методы определения физико-механических характеристик изоляции АБС-пластиков 43
2.5. Аппаратура для испытания и исследования образцов при гермо- фото - механоокислительной деструкции 46
Глава 3. Окислительная деструкция одноосно - механически нагруженных акрил он итри л бутадиен стирол ьных пластиков. Тепло- и электрофизические свойства исследуемых объектов 51
3.1. Фотомеханоокислительная деструкция изоляции АВС-пластиков 51
3.2. Атмосфероокислительная деструкция изоляции АБС-пластиков, экспонированных на различных высотах над уровнем моря 56
3.3. Влияние климатических факторов на характер трещинообразо-вания изоляции АБС-пластика 67
3.4. Термический анализ изоляции АБС-пластиков при климатическом старении 74
3.5. ИК - спектроскопическое исследование окислительно-деструк-ционных процессов одноосно - механически напряженных изоляций АБС-пластика при климатическом старении 79
3.6. Термические свойства электроизоляционных материалов 84
3.7. Экспериментальные определения тепло физических характеристик изоляции АБС-пластиков экспонированных при различных условиях 88
3.8. Расчет коэффициента теплопроводности изоляции АБС-плас-тика 92
3.9. Удельная теплоемкость исследуемых пластиков 96
3.10. Температуропроводность изоляции АБС - пластика в зависимости от температуры и времени экспонирования в различных условиях 102
Глава 4. Обработка экспериментальных данных тепло- и электрофизических свойств исследуемых пластиков 110
4.1. Стабилизация структуры кабельных пластиков к воздействию светопогоды 110
4.2. Анализ экспериментальных данных по тепло - и электрофизических характеристик исследуемых пластиков -. 117
4.3. Обработка экспериментальных данных по теплофизическим характеристикам изоляции АБС-пластиков 120
4.4. Взаимосвязь между механическими и теплофизическими свойствами изоляции АБС-пластиков в зависимости от температуры, экспонированного при различных условиях 124
Основные выеоды 127
Литература 129
Приложение 150
- Влияние состава и структуры кабельных пластиков на стойкость к погодным условиям
- Характеристика объектов и методика приготовления образцов.
- Фотомеханоокислительная деструкция изоляции АВС-пластиков
- Стабилизация структуры кабельных пластиков к воздействию светопогоды
Введение к работе
Технология создания композиционных материалов (КМ), удовлетворяющих потребностям современной техники и промышленности, возможна только на основе всестороннего изучения теплопроводности многокомпонентных систем. Экспериментальные исследования таких систем сопряжены с рядом трудностей, которые в случаях систем, содержащих компоненты легколетучих, высокотемпературных или химически активных веществ, возрастают многократно.
Характерным признаком современного производства является наличие жесткой конкуренции на рынке готовой продукции. Это определяет необходимость в создании, существенном расширении ассортимента и повышении качество новых теплозащитных, электроизоляционных, конструкционных полимерных материалов, которые по своим физическим свойствам относятся к твердым неметаллическим материалам. Качественные показатели таких материалов, прежде всего, характеризуются их теплофизическими свойствами (ТФС) ~ теплопроводностью, температуропроводностью, тепловой активностью и удельной теплоемкостью.
При математическом моделировании, проектировании и оптимизации режима отверждения изделий полимерных композиционных материалов возникает необходимость в исследовании параметров, характеризующих этот процесс к которым относятся ТФС исследование как для отверждениого композиционного материала, так и в процессе его отверждения при достаточно произвольных режимах нагрева.
При проектировании режима отверждения изделий из полимерных материалов возникает необходимость в исследовании параметров характеризующих процесс отверждения, к которым относятся: теплоемкость, теплопроводность, тепловой эффект, кинетические параметры, т. е. энергия активации и кинетическая функция, а также параметры качества выполняющие функции ограничений накладываемых на процесс. Для повышения качества изделий из композитных материалов (ИКМ) важное значение имеет знание теплофизических показателей как коэффициентов теплопроводности, теплоотдачи, отражения и т.п.
Ранее в электроизоляционной технике широкое применение находили материалы природного происхождения: древесина, хлопчатобумажное волокно, шелк, растительные масла, натуральный каучук, природные смолы, каменные породы и др.
За последнее время условия, в которых работают материалы в электрических устройствах, в аппаратуре радиоэлектроники, автоматики'и линии электропередачи стали более суровыми.
Высокие температуры часто существенно ухудшают условия работы электроизоляционных материалов.
Б ряде случаев электроизоляционным материалам приходится работать с условиях повышенной влажности окружающей среды, воздействия перепада температуры, химически активных реагентов, ионизирующего излучения, механических усилий (в частности ударов и вибраций). Указанные факторы, могущие оказывать чрезвычайно вредное воздействие на электроизоляционные материалы, часто воздействуют одновременно. Это приводит к резкому ухудшению электро- и теплофизических свойств материалов.
Одновременно с усложнением условий эксплуатации существенно повышаются требования к надежности работы электроизоляционных устройств и радиоэлектронной аппаратуры, в очень большой степени определяемой надежностью их электрической изоляции, контактных соединений, полупроводниковых и диэлектрических активных элементов схемы.
Для устройств, аппаратуры, приборов, проводов и кабелей электропередачи установлены параметры характеризующие надежность и долговечность их работы. Это теплостойкость, термостойкость, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери (tg5), разрывная прочность, деформационные свойства, теплофизические свойства (теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность) и т.п. Все эти параметры зависят от вида и качества используемых материалов.
В настоящее время при выборе материалов необходимо учитывать и то, обеспечат ли они возможность организации современного гибкого автоматизированного производства изделий, а также возможность создания автоматизированных систем управления технологическими процессами производства как самих изделий, так и устройств, в которых они будут использованы.
Из сказанного вытекает необходимость всестороннего исследования свойств новых материалов, по которым еще не накопился должный опыт эксплуатации, а также определения пригодности «старых» материалов в новых условиях работы.
АБС - пластики широко применяются в кабельной промышленности и приборостроении. Применение пластиков обусловлено высокой экономической эффективностью: высвобождением традиционных материалов, снижением энерго- и трудоёмкости изготовления продукции, упрощением решения комплекса инженерно - технологических задач [I - 10].
Анализ научной и патентной литературы свидетельствует о том, что вопросу атмосферостойкости кабельных пластиков в условиях высокогорья и сухого жаркого климата уделено недостаточно внимания. Практика эксплуатации показывает высокую степень досрочного выхода из строя покрытия электропроводов и кабелей из пластмасс. Наблюдаются такие явления как коробления, растрескивание и разрушение, после чего эти покрытия уже не могут выполнять свои функции; приходят в негодность и подлежат замене.
Цель работы:
Разработка и создание автоматизированных систем измерения температуропроводности композиционных материалов на базе персонального компьютера.
Получение экспериментальных данных по теплофизическим и.электрофизическим свойствам для изоляционных пластиков кабельных сетей, экспонированных в различных условиях (погодных, почвенных и др.).
Проведение анализа экспериментальных данных для получения расчетных уравнений, описывающих теплофизические и электрофизические свойства исследуемых объектов.
Разработка метода расчета и прогнозирование тепло- и электрофизических свойств изоляционных пластиков кабельных сетей в различных условиях.
Установление основных закономерностей процессов разрушения кабельных пластиков в различных климатических зонах Таджикистана. Выяснение молекулярного механизма деструкции и возможность дополнительной стабилизации кабельных пластиков. Научная новизна работы:
Предложена математическая модель акалориметра, обогре-ваемого точечными источниками тепла.
Получены расчетные соотношения для определения теплофизических свойств кабельных пластиков в различных условиях.
Собрана и создана экспериментальная установка для исследования температуропроводности исследуемых объектов.
Впервые проведены комплексные измерения теплофизических и электрофизических свойств кабельных пластиков.
Получены обобщенные соотношения для расчета и прогнозирования тепло - и электрофизических свойств кабельных пластиков в различных климатических условиях.
Впервые получена связь между механическими характеристиками и тепло-и электрофизическими свойствами кабельных пластиков.
Автор защищает:
Расчетные соотношения для определения теплофизических и электрофизических свойств.
Экспериментальную установку для измерения температуропроводности прозрачных композиционных материалов.
Автоматизированные системы сбора, обработки первичных экспериментальных данных (температуропроводность) на базе измерительного комплекса АЦП - PCL 7118 и ГВМРС.
Результаты комплексных измерений термических, теплофизических и электрофизических свойств кабельных пластиков.
Обобщенные зависимости для расчета и прогнозирования тепло - и электрофизических свойств неисследованных кабельных пластиков в различных условиях эксплуатации.
Обобщенные уравнения корреляции между механическими и тепло-физическими характеристиками исследуемых пластиков.
Практическая ценность работы:
Полученные научные результаты могут быть использованы при проектировании различных производств и аппаратов.
Предложенные обобщенные зависимости позволяют рассчитать значения теплофизических и электрофизических свойств неизученных кабельных пластиков.
Результаты измерений рекомендуются для инженерных расчетов химиических процессов и аппаратов для их проведения, для определения калорических параметров.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 154 страниц компьютерного текста, в том числе 63 рисунка и 30 таблиц. Список использованной литературы включает 206 наименований.
Содержание работы.
Во введении изложены предпосылки и основные проблемы исследования, обоснована актуальность работы,раскрыта структура диссертации.
В литературном обзоре (глава I) приведен анализ опубликованных работ по атмосферостойкости и стабилизации полистирольных пластиков, рассмотрены вопросы влияния состава и структуры кабельных пластикатов на их физико-механические свойства; приведены данные метеоусловий в климатических зонах испытаний.
Характеристика объектов и методы исследования описаны во второй главе.
В третьей главе приведены экспериментальные результаты по изменению структуры и физико-механических свойств изоляции АБС-пластиков при фото-и атмосферио-механикоокислительных деструкциях.
Изложение результатов построено по следующей схеме: рассмотрены изменения деформационно-прочностных, диэлектрических, теплофизичес-ких, термических и электрофизических характеристик АБС-пластиков при естественно - климатическом старении, а также воздействии УФ и гамма облучения. Изучена длительная и кратковременная прочность образцов, приведены данные фрактографического анализа поверхностной структуры и ИК спектроскопических изменений АБС - пластиков в процессе старения.
В этой главе также приведены экспериментальные данные, характеризующие влияние стабилизирующих добавок на пластик, дано обоснование выбора диметилвинилэтинилкарбинола (ДМВЭК) в качестве реагента, способствующего повышению погодостойкое АБС - пластиков.
Комплексный подход при решении поставленных задач и использование ряда взаимодополняющих современных физико-механических методов исследований позволили расширить информацию о происходящих процессах разрушения при атмосферном старении покрытия проводов и кабелей из полимерных композиционных систем в условиях сухого жаркого климата и высокогорья. Исследования позволили установить степень участия поверх-постного слоя в общем процессе старения и его вклад в механическую прочность.
В четвертой главе рассмотрена обработка экспериментальных данных по тепло-и электрофизическим свойствам исследуемых пластиков.
В закдючении подводятся итоги выполненного исследования.
В приложении приведены подробные таблицы сравнения, вычисленных по предложенным автором аппроксимационньш зависимостям.
Работа выполнена в лаборатории "Теплотехники" кафедры "Теплотехника и теплотехнические оборудования1' и кафедре "Физики" Таджикского технического университета им. академика М. С. Осими и лаборатории АОХК "Барки Точик".
Влияние состава и структуры кабельных пластиков на стойкость к погодным условиям
В настоящем обзоре рассмотрены вопросы атмосферного старения электроизоляционных полимерных материалов, на примере, АБС- пластика, в эксплуатационных условиях, когда на него воздействует целый комплекс естественных дестабилизирующих факторов: солнечная радиация, температура, кислород воздуха, атмосферная пыль, влажность, а также большие электрические напряжения и электромагнитные поля.
В научной литературе сополимеры стирола, акрилонитрила и полибутадиена, получившие название АБС- пластики, относят к полимерным композициям. Получают эти сополимеры путем сополимеризации прививки стирола, L -метилстирола, нитрила акриловой кислоты на полибутадиен или бутадиен - стирольные каучуковые латексы марок Al-12, А1-10, СКФ-32. АКС-пластики содержат 5-25% бутадиена или бутадиен стирольного каучука, 15-30 % акрилонитрила или стирола.
АБС-пластики получают путем смешения составных частей в расплаве. Наиболее распространенным способом получения АБС-пластиков является эмульсионная полимеризация, которая достигается сокоагуляцией латекса каучука с сополимером стирола и акрилонитрила. Такие сополимеры образуют ячеистую структуру частиц, при этом часть полимера образует вокруг частицы латекса оболочку, и в то же время мономер частично проникает внутрь латекса. Образуется структура ядро-оболочка, где стирол -бутадиеновая оболочка окружает полистирольное ядро, это наблюдается даже в том случае, если бутадиена содержится в количестве около 1%. В такой системе четкой границы раздела двух фаз не наблюдается [11]. Полистирол ьный компонент образует непрерывную фазу, каучуковый компонент-дисперсную фазу, а на границе между этими фазами локализуется привитой сополимер бутадиена со стиролом [12]
Частицы АБС-пластика состоят из полибутадиенового ядра, диаметром около 0,5 мкм и САН оболочки толщиной 0,1 мкм [13].
Согласно работе Кириловой И.Э. с сотрудниками [14] способ получения пластика определяет их структуру, физико-механические свойства и прежде всего, размер и распределение каучуковой фазы. Изменяя количество компонентов, размер и число эластомерных частиц, можно получить материалы со специалвными свойствами.
Регулируя молекулярную массу каучука и его изомерный состав, можно добиться получения различных типов структуры АБС-лластиков [15]. Иначе говоря направленнвій выбор типа каучука является одним из важнейших путей создания марок АБС- пластиков с заданнвши свойствами.
Белинской И.Д. с сотрудниками [16] было установлено, что зависимости от среднего размера частиц каучуковой фазы носят сложный характер и имеют экстремумы, соответствующие различным значениям d. В частности для АБС-Б самые высокие значения синхронно уменьшаются. Методом пиролитичсской газовой хроматографии были получены программы образцов АБС - пластика за 25-30 мин. Результат химического анализа хорошо совпадал с данными работы [17].
Характеристика объектов и методика приготовления образцов
В качестве объекта исследования был выбран широко применяемый в кабельной промышленности АБС-пластик марки 2020С, толщиной-2мм. Для пластиков этих марок в качестве стабилизаторов используют сажу и ионол. Эмульсионные марки АБС содержат 1 - 1,5% стабилизаторов.
По содержанию геля можно судить о количестве каучука в сополимере. Согласно работе Малаховой Г. П. [75] практически весь каучук, участвующий в сополимеризации, переходит в нерастворимую привитую фракцию. В нашем случае исходный АБС-пластик содержит 31,4% гель - фракции.
АБС-2020С изготавливают на термопластавтоматах марки Д3132П -250 методом литья под давлением по ГОСТ ] 1262-80.
В таблице 2.1 J приведены физико-механические свойства АБС-пластика марки 2020С, производства Тверского завода «Пластмассы».
Образцы для механических испытаний готовили из листового АБС-пластика и пленок в виде двойных лопаток с длинной рабочей части 20мм и площадью среднего сечения для пластика - 4мм-, для пленок - от 0,1 до 1,0мм-.
Для измерения теплопроводности и теплоемкости композитов нами использованы методы монотонного разогрева Е.С. Платунова [.1.33]. На рис.2.1 изображены схемы экспериментальных установок HTV400, ИТСр-400 разработанных Платуновым Е.С. (Актюбинский завод).
Методы монотонного теплового режима основываются на закономерностях приближенного анализа нелинейного уравнения теплопроводности. При этом под монотонным тепловым режимом понимается плавный разогрев (охлаждение) тела в широком диапазоне измерения температуры со слабо переменным полем скоростей внутри образна [133]. Эти методы являются обобщением квазистационарных методов на случай переменных теплофизических параметров [A.=A.(t); а=а{\)\ СР=СР (t)] и скорости нагревания (охлаждения) b=f(x,i). Они позволяют из одного опыта получить температурную зависимость исследуемого образца и носят иногда название динамических методов.
Метод монотонного разогрева используется для измерения теплопроводности и теплоемкости жидкостей, растворов, твердых тел, сыпучих материалов и др. [134,136-142]. Тепловая схема метода показана на-рис. 2.2. исследуемый объект 4, пластина контактная 3 и стержень 5 монотонно разогреваются тепловым потоком Q(T) поступающим от основания 1. Боковые поверхности стержня 5, исследуемый объект 4, пластины 2,3 адиабатически изолированы. Стержень 5 и пластина контактная 3 изготовлены из меди, обладающей высокой теплопроводностью, поэтому перепады температур на них незначительны.
Фотомеханоокислительная деструкция изоляции АВС-пластиков
Эксплуатация кабельных пластиков (изоляция АБС-пластика) не исключает воздействия солнечной радиации и растягивающей, сжимающей, изгибающей механических нагрузок. Из всего спектра солнечных лучей особенно вредными для пластиков являются УФ -излучения с длинной волны 290 - 400 нм. Хотя на этот диапазон приходится 5% солнечного излучения, падающего на поверхность Земли, большинство пластмасс способно поглощать радиацию именно в нем. В процессе фотоокислительной деструкции образуются продукты, содержащие карбонильные и гидроксильные группы, что приводит к ухудшению физико-механических свойств [132] .
В реальных условиях эксплуатации провод и кабеля с изоляцией из АБС-пластиков могут подвергаться совместному воздействию нескольких дестабилизирующих факторов, в частности механической нагрузки (за счет собственного веса и воздействия ветра и т.п) и воздействию УФ - облучения.
Экспериментальные результаты по изменению структуры изоляции АБС-пластика приведены на рис. 3.1 Л. и 3.1.2. Из ИК - спектров исходных и облученных (т = 14 часов) в свободном и механически нагруженном состояниях образцов видно, что в основном существенное изменение протекает в области частот 1720 см " относящейся к карбонилсодержащим С=0 группам. Интенсивность данной полосы поглощения у нагруженного образца имеет максимальное значение (рис.3.1.1. кривая 4). Это свидетельствует о том, что механическая нагрузка разрывает перенапряжение химических связей и способствует интенсивному присоединению кислорода в месте разорванных связей и в результате концентрации С=0 групп в матрице изоляции АБС-пластика возрастает. Рост относительной оптической плотности полосы поглашения 1720 см " продолжается до 10 - 12 часов экспонирования, затем остается постоянным до 20 часов, после с ростом времени экспонирования идет к убыли (рис.3.1.2). Из рис. 3.1.2. видно, что в начале экспонирования наклон роста относительной оптической мощности D от т с увеличением величины а растет (где 01 оптическая плотность полос поглощения исходных депонированных образцов). Это свидетельствует о том, что растягивающая механическая нагрузка ускоряет образование С=0 групп, величина же последних максимальная при о = 15 МПа.
Далее, для подтверждения результатов структурных изменений проводили ряд опытов по измерению долговечности механически нагруженных образцов изоляции АБС-пластиков в присутствии УФ- облучения и без него. Экспериментальные результаты зависимости долговечности от приложенной нагрузки при одновременном воздействии УФ-облучения приведены в виде графика на рис. 3.1.3, из которого видно, что прямая Igr сохра-нясі свою линейную зависимость и при УФ- облучении. Однако под действием УФ-излучения, когда о ап- , долговечность материала сильно отклоняется.
Стабилизация структуры кабельных пластиков к воздействию светопогоды
Защита кабельных пластикатов от воздействия дестабилизирующих факторов остается сегодня открытой. Немаловажным условием повышения работоспособности является и знание особенностей атмосферного старения. В предыдущих параграфах данной работы мы подробно остановились на закономерностях изменения физико-механических характеристик изоляции АБС-пластика при длительном климатическом старении. Экспериментально было выявлено, что прочностные характеристики в основном зависят от состояния поверхности пластика на которую сильное влияние оказывает состояние окружающей среды. Хотя изоляция АБС-пластика содержит сажу и ионол в качестве светостабилизаторов, по нашим данным [189] этого недостаточно для придания устойчивости изделия из пластика к длительному климатическому старению в экстремальных условиях Таджикистана. Одним из путей повышения атмосферостойкости полимера могло быть введение дополнительных стабилизирующих добавок. В параграфе 2.1 мы рассмотрели один из примеров решения проблемы погодоустойчивости изоляции АБС-пластика. Сажу в изоляции АБС-пластика вводят для повышения прочности и погодоустойчивости полибутадиеновой составляющей композиции. Ионол является с вето стабилизатор ом, действующим по механизму ингиби-рования радикальных процессов.
Для повышения светостойкости нами предложено дополнительное введение диметилвинилэтинилкарбинола (ДМВЭК), который был использован в качестве эффективного светостабилизатора диацетата целлюлозы (ДАЦ), действующего в основном как УФ-абсорбер. По своему строению ДМВЭК является сопряженным непредельным соединением и имеет третичную спиртовую группу.
На рис. 4.1.1 приведены экспериментальные результаты величины разрушающего напряжения (сгр) при растяжении и относительного удлинения при разрыве (sv) образцов пленок из изоляции АБС- пластика, подвергнутых естественному климатическому старению в условиях г.Душанбе, Экспонирование производили в сентябре-октябре. Помимо деформационно-прочностных характеристик из зависимости ( тр) -f (єр) определяли модуль Юнга (Е). Зависимость прочности от деформации снимали на специально собранной разрывной установке при постоянной скорости растяжения (9 = 50мм/мин. Величину Е рассчитывали по начальному линейному участку в зависимости а р.- р по формуле Е=А а/А є. Как видно из рис, 4.1.1. для образцов, дополнительно стабилизированных добавками ДАЦ+ДМВЭК и исходных, зависимость ар от времени старения после 48-ми-часового экспонирования проходит интенсивнее, тогда как для образцов, стабилизированных ДМВЭК, этот процесс протекает медленнее. Экспонирование пленки о летний период частично разрушались за 1,5 -2 месяца испытания. В осенний период экспозиции процесс старения пленки протекал без разрушения сплошности. Данные по изменению физико-механических показателей изоляции АБС-пластика после естественного и искусственного старения приведены
