Исследование физико-механических свойств полимерных материалов, модифицированных в электромагнитном поле СВЧ-диапазона

Полная исследовательская публикация __________ Абакачева Е.М., Сулейманов Д.Ф., и Шулаев Н.С.

Размещено на http://www.allbest.ru/

96 ______________ http://butlerov.com/ _______________ ©--Butlerov Communications. 2011. Vol.24. No.1. P.95-98.

Тематический раздел: Электромагнитные поля. Полная исследовательская публикация

Подраздел: Химия полимеров. Регистрационный код публикации: 11-24-1-95

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. __________ ©--Бутлеровские сообщения. 2011. Т.24. №1. _________ 95

Исследование физико-механических свойств полимерных материалов, модифицированных в электромагнитном поле СВЧ-диапазона

Абакачева Елена Мидхатовна, Сулейманов Дамир Фанилевич, Шулаев Николай Сергеевич

Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Стерлитамак.

Статья посвящена исследованию физико-химических свойств полимерных материалов, модифицированных в электромагнитном поле сверхвысокочастотного диапазона. В частности, прочность на разрыв, водопоглощение и электрическая проводимость. Определены оптимальные режимы модификации липкой пленки для изоляции магистральных трубопроводов.

Ключевые слова: электромагнитные излучения, поливинилхлорид, липкая пленка, режим нетепловой модификации.

В настоящее время для улучшения физико-механических свойств полимерных материалов широко используются электрофизические методы, такие как излучения звукового и ультразвукового диапазонов частот, виброобработка, лазерное, электронное, ультрафиолетовое излучения.

Необходимость в альтернативных технологиях модификации полимеров связана с многостадийностью традиционных процессов, высокими энерго- и трудовыми затратами, экологической напряженностью производства. Исследования по применению электрофизических методов обработки материалов и изделий показали эффективность использования для этой цели энергии сверхвысокочастотного электромагнитного излучения (СВЧ ЭМИ).

Обработка полимерных материалов и изделий в СВЧ ЭМИ позволяет значительно ускорить процесс модификации по сравнению с другими методами обработки, при этом повышается качество готовых изделий, уменьшаются термомеханические эффекты, габариты производственных установок, улучшаются экономические показатели процесса [1, 2].

Результаты и их обсуждение. Для разработки эффективных промышленных процессов модифицирования полимерных материалов нетепловым воздействием в СВЧ ЭМИ с целью улучшения их механических свойств важно знать комплексные характеристики сред, на которые оказывает воздействие электромагнитное поле. К числу таких комплексных характеристик относится степень поглощения веществом электромагнитного излучения, которое определяется глубиной проникновения д. Глубина проникновения - это расстояние, при прохождении которого в веществе амплитуда колебаний вектора напряженности электрического поля уменьшается в e раз, где e - основание натурального логарифма [3].

, (1)

где Е(х) - напряженность электрического поля на расстоянии х;

Е0 - первоначальная напряженность электрического поля при х = 0;

х - высота слоя;

д - глубина проникновения, определяемая соотношением 2.

Чем меньше д, тем выше поглощающая способность вещества, которая определяется действительной и мнимой частями диэлектрической проницаемости [3].

полимерный модифицированный электромагнитный

(2)

где - действительная часть абсолютной диэлектрической проницаемости среды; - действительная часть абсолютной магнитной проницаемости среды;

у - удельная проводимость среды; щ - круговая частота; - тангенс угла диэлектрических потерь; - тангенс угла магнитных потерь; е” - мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости вещества; м” - мнимая часть относительной магнитной проницаемости вещества.

Для полимерных материалов удельной проводимостью среды у и магнитными потерями можно пренебречь, тогда формула 2 примет вид

В представленной работе приведены результаты исследований влияние СВЧ ЭМИ на свойства липкой поливинилхлоридной пленки, используемой для изоляции трубопроводов. Схема лабораторной установки представленна на рис. 1.

Рис. 1. Схема лабораторной установки для определения глубины проникновения СВЧ излучения.

1 - СВЧ генератор; 2 - волновод соединительный; 3, 5 - фланцы со встроенными мембранами; 4 - рабочая камера (рабочий волновод); 6 - согласующая камера; 7, 8 - штуцера ввода и вывода воды из согласующей камеры соответственно; 9 - термопара; 10 - вольтметр; 11 - амперметр; 12 - корпус установки.

Рис. 2. Зависимость доли поглощенной СВЧ энергии от высоты слоя

Поглощающая способность полимером электромагнитного излучения определялась по доле энергии поглощаемой исследуемым образцом, вычисляемой по разности температур балластной нагрузки образца.

На рис. 2 представлена зависимость доли поглощенной СВЧ энергии от высоты поглощающего слоя полимера, которая определяется по формуле

, (3)

где: ДТ0 - изменение температуры балластной нагрузки без исследуемого образца;

ДТi - изменение температуры балластной нагрузки в i-ом эксперименте с исследуемым образцом.

Как видно из приведенных зависимостей глубина проникновения излучения в гранулы поливинилхлорида (ПВХ) составляет ~19 см, а пленку ~10 см. Такая зависимость объясняется тем, что насыпная плотность гранул меньше плотности пленки в два раза. Из приведенных экспериментов следует, что ПВХ имеет достаточно высокую поглощающую способность, что позволяет осуществить его модификацию в электромагнитном поле. В частности улучшить механические и гидрофобные свойства полимерной пленки.

В ходе исследования свойств модифицированной ПВХ пленки изменялись удельная мощность поглощенного излучения от 0.85 кВт/кг до 4.3 кВт/кг и время воздействия (1-3 минуты).

Рис. 3. Зависимость действительной разрывной нагрузки от ширины образца

На рис. 3 показан диапазон оптимальных, для повышения механических свойств, режимов нетепловой модификации.

При уровне мощности менее 0.85 кВт/кг наблюдается незначительное увеличение прочностных свойств, а при мощности более 4.3 кВт/кг - их снижение по сравнению с немодифицированным эталоном. Такая зависимость объясняется тем, что при низком уровне удельной мощности не происходит дополнительная «сшивка» молекул полимера, а при относительно высоком происходит разрушение связей.

Как видно из представленных зависимостей, действительная разрывная нагрузка липкой поливинилхлоридной пленки после воздействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона увеличивается в два раза.

На рис. 4 представлена одна из важнейших характеристик полимерных материалов - водопоглощения.

Так в зависимости от удельной мощности излучения гидрофобность модифицированной пленки может возрастать по сравнению с эталоном до пяти раз.

Можно объяснить данный эффект нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на структуру полимерного материала тем, что СВЧ электромагнитное поле вызывает ослабление межмолекулярных сил, при этом улучшаются условия ориентации полярных групп и боковых концевых ответвлений молекулярной цепи вдоль силовых линий напряженности электрического поля.

Увеличиваются тепловые колебания полярных групп и возрастает интенсивность крутильных колебаний, что приводит к увеличению кинетической гибкости цепи полимера. И это, в свою очередь, создает дополнительные энергетические возможности для образования новых межмолекулярных взаимодействий [2].

Под действием внешнего СВЧ электромагнитного поля без разрыва химических связей происходят конформационные изменения макромолекул полимера, заключающиеся в изменении плотности молекулярной упаковки междоменных областей, в результате чего изменяется степень кристалличности полимера и, как следствие, его свойства.

Рис. 4. Зависимость водопоглощения

Это явление подтверждается измерениями сопротивления полимера в зависимости от мощности излучения, значение которого представлены на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость сопротивления полимера R*1012 Ом от мощности электромагнитного излучение СВЧ-диапазона

Выводы

Проведенные исследования показали высокую эффективность использования электромагнитного излучения для повышения механических свойств полимерных материалов, используемых для изоляции магистральных трубопроводов, повышающих надежность безаварийной работы.

Литература

1. Бикбулатов И.Х., Даминев Р.Р., Шулаев Н.С., Шулаева Е.А. применение электромагнитного излучения СВЧ диапазона в химической технологии. Бутлеровские сообщения. 2009. Т.18. №8. С.1-28.

2. Калганова С.Г. Электротехнология нетепловой модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле. Дис.…доктора тех.н. Саратов: Саратовский гос. тех. университет. 2009.

3. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Саратов: Саратов. гос.ун-т. 1983. 140с.

Размещено на Allbest.ru