CC BY
7Вертячих И. М., Волков Ю. А., Жукалов В. И.
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ АКТИВНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АНАЛОГОВОМ ТЕПЛОВОМ ПОЖАРНОМ ИЗВЕЩАТЕЛЕ
Статья посвящена изучению возможности применения в термочувствительном элементе аналогового теплового пожарного извещателя активных полимерных материалов. Активные полимерные материалы позволяют разработать искробезопас-ный, самовосстанавливающийся, не нуждающийся во внешнем источнике электрического тока, термочувствительный элемент для аналоговых тепловых пожарных извещателей, устанавливаемых во взрывоопасных помещениях ряда классов.
Ключевые слова: пожарный извещатель, термочувствительный элемент, активный полимерный материал, электрет, термостимулированные токи.
Современное развитие техники характеризуется ростом автоматизации производства, внедрением новых технологических процессов, протекающих при высоких температурах, давлениях и скоростях переработки сырья, что ведёт к повышению пожарной опасности. В связи с этим, применение технических средств пожарной автоматики является одним из условий обеспечения пожарной безопасности объектов.
Ключевым элементом любой системы пожарной сигнализации является пожарный извещатель, от эффективности работы которого зависит время обнаружения пожара и, в конечном итоге, сохранение жизни людей и минимизация материальных потерь от пожара.
Современные адресно-аналоговые тепловые пожарные извещатели (ПИ) применяются в системах адресной пожарной сигнализации и предназначены для охраны объектов от пожаров. Они контролируют скорость нарастания температуры и превышение порогового значения и выдают
извещение о пожаре в ответ на адресный запрос от пульта управления через модуль контроля адресных извещателей.
Извещатель предназначен для непрерывной круглосуточной работы, он относится к точечным, восстанавливаемым (многократного действия) активным (токо-потребляющим) тепловым адресным из-вещателям.
Основным элементом аналогового теплового ПИ является термочувствительный элемент (ТЭ), от надёжности и достоверности функционирования которого в целом зависит работа системы пожарной сигнализации.
Существует ряд принципов действия, на основе которых функционируют ПИ. В данной работе мы остановимся на ПИ, принцип действия которых основан на активизации в материале ТЭ термостимули-рованного тока - преобразовании энергии теплового движения в электрическую энергию движущихся зарядов вследствие повышения температуры окружающей среды. Это тепловые извещатели с использованием принципа термо-ЭДС и с использованием сегнетоэлектриков [1].
Рассмотрим возможность использования активного полимерного материала в качестве ТЭ аналогового теплового ПИ. К подобным материалам можно отнести полимерный электрет и полимерный материал, модифицированный определёнными добавками и помещённый между разнородными металлами.
Электреты - это диэлектрики, способные длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внешнего воздействия, вызвавшего
Рисунок 1. Схема термостимулированной деполяризации полимерного электрета:
1, 3 - электроды; 2 - полимерный электрет; 4 - индуцированные заряды; 5 - инжектированные при поляризации заряды
электризацию (электрический аналог постоянного магнита) [2]. В активированном электрете при повышении температуры появляется разрядный термостимулиро-ванный ток (ТСТ) [3, 4].
В качестве полимерного материала был выбран поливинилбутираль (ПВБ) ГОСТ 9439-85, марки ПШ-1. Образцы для
0,042 0,04 0,038 0,036 0,034 0,032 0,03 0,028 0,026 0,024 0,022 0,02 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0
/'X 5
I V Л
20
40 60 80 100 120 140 160 180 Температура, °С
—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I
30 50 70 90 110 130 150 170
Время, с
Рисунок 2. Зависимость ТСТ плёнок-электретов от температуры во времени при разной толщине плёнки:
1 - 8 мкм; 2 - 10 мкм; 3 - 100 мкм; 4 - 200 мкм; 5 - 210 мкм
исследований толщиной 8, 10, 100, 200 и 210 мкм изготавливали в виде плёнок методом горячего прессования. Электрет-ный заряд в плёнках формировали поляризацией в поле коронного разряда, ТСТ у полученных электретных пленок активировали методом термостимулированной деполяризации (ТСД) (см. рис. 1) [4, 5]. Значения ТСТ в зависимости от толщины плёнок-электретов приведены на рисунке 2.
Как видно из рисунка 2, при ТСД образцов протекает ТСТ, имеющий характерный для электретов вид для температурной зависимости. Видно, что наиболее оптимальной толщиной полимерной плёнки-электрета для электретного ТЭ является толщина в интервале 10-200 мкм (кривые 2-4).
Характер протекания тока ТСД в элек-третной плёнке позволяет применять электреты в качестве ТЭ аналогового теплового пожарного извещателя, работающего по следующей схеме. При повышении температуры в охраняемом помещении конвективное тепло воспринимается ТЭ, что приводит к появлению термо-ЭДС. Повышение температуры в помещении увеличивает термо-ЭДС и сигнал поступает на станцию пожарной сигнализации.
При прекращении повышения температуры и последующем её снижении температура ТЭ падает до исчезновения ТСТ, то есть значение величины силы тока в цепи зависит от значения фактора пожара - температуры воздуха в помещении. При повторном нагреве ТЭ аналогового извещателя термо-ЭДС должна появляться снова.
Важное свойство полимерного электрета - длительная стабильность поляризационного заряда: при нагреве до определённых температур (в зависимости от вида полимера) и после последующего охлаждения он способен вновь генерировать термо-ЭДС с появлением ТСТ.
Для выявления способности электрета генерировать ТСТ при повторном нагреве после охлаждения образцы элек-третных полимерных плёнок подвергали
0,02 ■
0,018 ■
0,016 ■
2
3 0,014 ■ ■ /
м
CD 0,012 ■
О CD < 0,01 ■ 3 ' /
X / л
° 0.008 ■ \л
/ \\ 1
/ / /0,006 ■ 1 \ \
1 \ .
/ 0,004 ■ V
/ \ч.
/ 0,004 ■ А'ч.
j/ 1 \
1
20 30 40 45 50 46 42 38 34 30
Температура, °С
I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—
0 20 30
40 60 80 100110 Время, с
Рисунок 3. Зависимость значений ТСТ плёнок-электретов от температуры во времени при прерывании нагрева при разной толщине плёнки: 1 - 10 мкм; 2 - 100 мкм; 3 - 200 мкм
нагреву и последующему охлаждению. Процесс термостимулирования прерывали при температуре 50 °С. По мере падения температуры значение ТСТ снижалось, а при температуре 40 °С ТСТ не фиксировался (рис. 3, 4).
Как видно из рисунка 3, при прерывании нагрева плёнки-электрета рост ТСТ прекращается и по мере уменьшения температуры снижается вплоть до нуля. При повторном нагреве ТСТ снова появляется. На рисунке 4 приведены графики ТСТ повторной термодеполяризации плёнок. Мы видим, что электретный ТЭ сохраняет способность вновь генерировать термо-ЭДС с появлением ТСТ.
Известно, что при нагревании полимерной прослойки, расположенной между короткозамкнутыми электродами из разнородных металлов, возникает ТСТ [3, 4]. Известны и способы повышения электропроводности диэлектриков, в том числе полимеров, при их пластифицировании и при допировании [5, 6]. Такие полимерные материалы можно также считать активными. Эти материалы могут
применяться в качестве ТЭ теплового аналогового ПИ.
В качестве полимерного материала был выбран ПВБ, пластификатором взят дибутилфталат (ДБФ) (ГОСТ 8728-88).
Для допирования в ПВБ вводилась смесь пластификатора с 10%-ным раствором йода реактивного (ГОСТ 4159-79) марки Ч в этиловом спирте марки А (ГОСТ 17299-78). Допанты являются модифицирующими добавками, повышающими удельную электрическую проводимость полимеров на несколько порядков благодаря наличию в структуре полимерных материалов сопряжённых двойных связей. После допирования полимер переходит в новое энергетическое состояние с проводимостью, близкой к проводимости металлов [5, 6].
Из полученной смеси методом горячего прессования получали плёнки-образцы толщиной 100 мкм, на поверхности противоположных сторон которых
0,042 0,04 0,038 0,036 0,034 0,032 0,03 | 0,028 га 0,026
о 0,024 <3 0,022 о 0,02 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0
У /
/ 3 У // N
/ /
//
/ / / /
/
'У
/
\
1
I
20 30 40 50 60 70 80 90 100 Температура, °С
0 ' 20 ' 30 ' 40 ' 50 ' 60 ' 70 ' 80 ' 90 ' Время, с
Рисунок 4. Зависимость значений ТСТ плёнок-электретов от температуры во времени при повторной деполяризации при разной толщине плёнки:
1 - 10 мкм; 2 - 100 мкм; 3 - 200 мкм
TCT, мкА
2.7 2,55
2.4 2,25
2,1 1,95
1.8 1,65
1.5 1,35
1,2 1,05
0,9 0,75
0,6 0,45
0,3 0,15
5, 6, 7
0
108 132 156 180 204
Для выявления способности ТЭ генерировать ТСТ при повторном нагреве после охлаждения, образцы полимерных плёнок подвергали нагреву с последующим охлаждением. Процесс термостимулирования прерывали при температуре 80 °С. По мере падения температуры значение ТСТ снижалось, а при температуре 40 °С ТСТ не фиксировался (рис. 6). При повторном нагреве ТСТ снова возникал (рис. 7).
Характер протекания тока ТСД в полимерной плёнке свидетельствует о возможном применении допированных плёнок в качестве ТЭ аналогового теплового пожарного извещателя.
Схема работы пожарного извеща-теля с ТЭ из допированного полимерного
Рисунок 5. Зависимость ТСТ испытуемых
образцов от температуры содержания ДБФ + раствор йода в спирте с
1 - 0,5 %; 2 - 5 %; 3 - 10 %; 4 - 10 %; 5 - 15 %; 6 - 17 %; 7 - 20 %; 8 - контрольный образец
методом напыления в вакууме наносили слой меди и алюминия. В качестве контрольных образцов были взяты плёнки, изготовленные из ПВБ, не содержащего смесь ДБФ и раствора йода в этиловом спирте.
Значения ТСТ определяли путём нагрева образцов в термостате до температуры 200 °С между электродами, подключёнными к милливольтметру [3]. Составы полученных плёнок и результаты испытаний приведены на рисунке 5.
Из рисунка видно, что при введении в полимерную плёнку из ПВБ смеси ДБФ + раствор йода в спирте в количестве 10 % и выше наблюдается резкое увеличение значения ТСТ, которое затем стабилизируется. Введение меньшего количества смеси не вызывает значительного роста ТСТ.
y
0,0722 0,0684 0,0646 0,0608 0,057 0,0532 0,0494 0,0456 0,0418
мкА 0,038
Т,С 0,0342 Т
0,0304 0,0266 0,0228 0,019 0,0152 0,0114 0,0076 0,0038
0
30 42 54 66 78 74 Температура, °С
58 42
20
30 40 80 100 120 Время, с
Рисунок 6. Зависимость значений ТСТ испытуемых образцов ТЭ, содержащих добавки (ДБФ + раствор йода в спирте) от температуры во времени при нагреве с последующим охлаждением:
1 - 15 %; 2 - 17 % мас.
C
и
X
0
y
0,0684 0,0646 0,0608 0,057 0,0532 0,0494 | 0,0456 £ 0,0418 ^ 0,038 0,0342 0,0304 0,0266 0,0228 0,019 0,0114 0,0076 0,0038
0 24 36 48 60 72
Температура, °С
0 20 30 40
Время, с
Рисунок 7. Зависимость значений ТСТ образцов ТЭ от температуры во времени при повторном нагреве: 1 - 15 %; 2 - 17 % мас.
материала та же, что описана выше в случае с применением электретов.
Таким образом, проведённые исследования показали:
1. Характер протекания ТСТ в образцах из активных полимерных материалов открывает возможность использования их в качестве материалов ТЭ для аналогового теплового пожарного извещателя, так как
значение величины силы тока в цепи зависит от значения фактора пожара, то есть температуры.
2. Разработанный на их основе ТЭ предоставляет возможность не только определять критические значения температуры в защищаемом помещении, но и контролировать процесс изменения температуры в технологических установках, выдавая сигнал персоналу о вероятности возникновения аварии.
3. По возможности восстановления работоспособности ТЭ будет самовосстанавливаемым - при переходе температуры в защищаемом помещении в нормальный режим процесс генерации ТСТ прекращается, а при последующем нагреве ТСТ появляется вновь.
4. Пожарный извещатель, ТЭ которого будет выполнен по аналогии с исследуемыми образцами, для своего функционирования не нуждается во внешнем источнике электрического тока, так как полимерный материал при повышении температуры сам генерирует ток.
5. Пожарный извещатель с ТЭ из активного полимерного материала в связи с отсутствием размыкающихся контактов будет искробезопасным устройством и может применяться в аналоговых тепловых пожарных извещателях, устанавливаемых во взрывоопасных помещениях классов В-1, В-1а, В-1б, В-II, В-11а согласно классификации ПУЭ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Членов А. Н, Фомин В. И. Буцынская Т. А., Демехин Ф. В. Новые методы и технические средства обнаружения пожара. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2007. - 175 с.
2. Сегнетоэлектрики / Большой энциклопедический словарь. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб: Норинт, 1997. - С. 1076.
3. Гольдаде В. А, Пинчук Л. С. Электретные пластмассы: Физика и материаловедение / Под ред. В. А. Белого. - Мн.: Наука и техника, 1987. - 232 с.
4. Электреты / Под ред. Г. Сесслера; пер. с англ. А. Ю. Гросберга, Ю. К. Джикаева. - М.: Мир, 1983. - 486 с.
5. Имамутдинов И. Мистер Алешин, который решает все проблемы // Эксперт. - 2007. -№ 17. - С. 53-56.
6. Лачинов А. Н, Золотухин М. Г. Нетрадиционный механизм допирования в полиариленфто-ридах // Письма в ЖТЭФ. - 1991. - Т. 53. - Вып. 6. -С. 297-391.
7. Волков Ю. А, Вертячих И. М, Жукалов В. И. Адресно-аналоговые системы пожарной сигнализации и их преимущества перед традиционными (пороговыми) и адресными дискретными системами // Чрезвычайные ситуации: образование и наука. - 2012. - № 2. - С. 142-148.
Vertyachikh I., Volkov Yu., Zhukalov V.
ON THE POSSIBILITY OF APPLYING TEMPERATURE SENSITIVE BULBS BASED UPON THE ACTIVE POLYMER MATERIALS IN THE ANALOG HEAT DETECTOR
ABSTRACT
Purpose. The paper studies the possibilities of applying active polymer materials in the temperature sensitive bulb of the analog heat detector.
Methods. Based on experimental data the possibility of a sustainable and multiple thermally stimulated current in the film samples made of the active polymer materials was defined.
Findings. The values of the thermally stimulated currents occurring in the film samples made of the active polymer materials are determined. Ability of the given samples to generate thermally stimulated current in their reheating after being cooled has been proven. The methods allow to try out the modes and parameters of the research of the active polymer materials being developed.
Research application field. It is advisable to include the results of the research into scientific-research and experimental-design activities of research organizations dealing with development of temperature-sensitive elements for the analog heat detector.
Conclusions. Active polymer materials allow developing an intrinsically safe, self-healing temperature sensing element for the analog heat detectors installed in a number of hazardous locations. The given element doesn't need an external source of electric current.
Key words: active polymer materials, thermally stimulated currents, analog heat detectors.
REFERENCES
1. Chlenov A.N., Fomin V.I. Butcinskaya T.A., Demekhin F.V. Novye metody i tekhnicheskie sredstva obnaruzheniia pozhara [New methods and technical means of fire detection]. Moscow, State Fire Acad. of EMERCOM of Russia Publ., 2007. 175 p.
2. Ferroelectrics. Bol'shoi entsiklopedicheskii slovar' [Great encyclopedic dictionary]. St. Petersburg, Norint Publ., 1997. 1076 p.
3. Gol'dade V.A., Pinchuk L.S. Elektretnye plastmassy: Fizika i materialovedenie [Electret plastic: Physics and materials science]. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1987. 232 p.
4. Sessler G.M., Broadhurst M.G. Electrets. Berlin; New-York, Springer-Verlag Publ., 1980. 404 p. (Russ. ed.: Elektrety. Ed. by G. Sessler. Moscow, Mir Publ., 1983. 486 p.).
5. Imamutdinov I. Mr. Aleshin, who solves all the problems. Ekspert, 2007, no. 17, pp. 53-56. (in Russ.)
6. Lachinov A.N., Zolotukhin M.G. Unconventional mechanism of doping in polyacrylonitrile // Pis'ma v ZhTEF [Technical Physics Letters], 1991, vol. 6, pp. 297-391. (in Russ.)
7. Volkov Yu.A., Vertyachikh I.M., Zhukalov V.I. Analogue addressable fire alarm systems and their advantages overtraditional (threshold) and address discrete systems. Chrezvychainye situatsii: obrazovanieinauka, 2012, no. 2, pp. 142-148. (in Russ.)
iGOR VERTYACHiKH
YuRi Volkov VLADiMiR Zhukalov
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor
Gomel Engineering Institute of Ministry of Emergency Situations of Belarus,
Gomel, Belarus
Gomel Engineering Institute of Ministry of Emergency Situations of Belarus, Gomel, Belarus
Gomel Engineering Institute of Ministry of Emergency Situations of Belarus, Gomel, Belarus
