Применение сверхвысокочастотной электромагнитной установки для модификации полимерных пленок и исследование их свойств Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Е. М. Абакачева (к.т.н., доц.)1, Н. С. Шулаев (д.т.н., проф.)2,

А. Р. Фахразов (асп.), К. А. Киреев (асп.)

Применение сверхвысокочастотной электромагнитной установки для модификации полимерных пленок и исследование их свойств

Уфимский государственный нефтяной технический университет, филиал в г.Стерлитамаке 1 кафедра оборудования нефтехимических заводов 2кафедра информатики, математики, физики 453118, г. Стерлитамак, пр. Октября 2б; тел. (3473) 291130, e-mail: [email protected]

E. M. Abakacheva, N. S. Shulaev, A. R. Fahrazov, K. A. Kireev

Application of microwave installation for modification of polymeric films and research of their properties

Ufa State Petroleum Technological University, Sterlitamak branch 2b, Oktyabrya Pr, 453118, Sterlitamak, Russia; ph. (3473) 291130, e-mail: [email protected]

Приводятся результаты экспериментального исследования глубины проникновения электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона в поливинилхлоридную пленку и гранулы для ее изготовления, которые продемонстрировали высокую эффективность использования электромагнитного излучения для нетепловой модификации полимеров. Показано, что повышается разрывная нагрузка модифицированной пленки.

Ключевые слова: глубина проникновения; микроволновое излучение; модификация полимера; ПВХ пленка; поливинилхлорид.

This paper presents results of experimental analysis of depth of microwave penetration into PVC tape and granules for tape manufacturing, that demonstrates a high efficiency of use of microwave radiation for non-thermal polymer modification. It was shown that breaking load for modified tape increases.

Kew words: microwave radiation; penetration; polyvinylchloride; polymer modification; PVC tape.

В настоящее время для интенсификации процессов модификации полимерных материалов широко используются такие электрофизические методы, как упругие колебания звукового и ультразвукового диапазонов частот, виброобработка, токи высокой частоты, 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 сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных установок, конструкция которых может найти применение в химической промышленности при производстве липких

Дата поступления 02.12.10

полимерных пленок и решить техническую задачу повышения качества полимерной пленки.

Объемная обработка полимерных материалов и изделий позволяет значительно ускорить процесс модификации по сравнению с другими методами обработки, при этом повышается качество готовых изделий, уменьшаются термомеханические эффекты, габариты

производственной установки, улучшаются эко-

1

номические показатели процесса.

Для разработки эффективных промышленных процессов модифицирования полимерных материалов нетепловым воздействием в электромагнитном поле сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона 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 5 2’3. Глубина проникновения — это расстояние, при прохождении которого в веществе амплитуда колебаний вектора напряженности электрического поля уменьшается в е раз, где е — основание натурального логарифма.

Е ( х ) = Е0е

где Е(х) — напряженность электрического поля при высоте слоя, равной х, В/см;

Е0 — первоначальная напряженность электрического поля, В/см;

х — высота слоя, см;

5 — глубина проникновения, см.

Чем меньше 5, тем выше поглощающая способность вещества, которая определяется действительной и мнимой частями диэлектрической проницаемости 4.

В представленной работе определялась глубина проникновения для липкой поливинилхлоридной пленки, использующейся для изоляции трубопроводов, и гранул для ее получения (ТУ 2245-001-00203312-2003). Исследования проводились на лабораторной установке, представленной на рис. 1.

(1)

(2)

%5е

м

где £а = £0£ — действительная часть абсолютной

диэлектрической проницаемости среды;

/Ла = ЛоЛ — действительная часть абсолютной магнитной проницаемости среды;

1

■ = с, с = 3-Ю8 м/с

18-Л — скорость элект-

ромагнитных волн в вакууме;

о — удельная проводимость среды; о — круговая частота электромагнитного излу-

чения;

терь;

£

К

К

тангенс угла диэлектрических по-

тангенс угла магнитных потерь;

г// — мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости вещества;

ц// — мнимая часть относительной магнитной проницаемости вещества.

Для полимерных материалов удельная проводимость среды о и тангенс угла магнитных потерь стремятся к 0, тогда формула (2) принимает вид

„ 2__________________

(3)

Юу1£/а К а -%3Е >

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.

Метод определения глубины проникновения основан на определении количества СВЧ энергии, поглощенной обрабатываемым веществом, вычисляемого по разности температур балластной нагрузки, помещенной в согласующую камеру без исследуемого материала и с ним.

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

п =

АТ о -АТ, АТП

(4)

где АТ 0 — изменение температуры балластной на-

грузки без исследуемого образца;

АТ г — изменение температуры балластной нагрузки в г-м эксперименте с исследуемым образцом;

2

/

£

* Пленка ■ Гранулы

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

ар, мПа

19

17

15

13

11

9

7

25

35

65

45 55

Ширина о6ра.щ1,тм Др обработки СВЧ полем —■—После обработки СВЧ полем

75

Рис. 3. Зависимость разрывной нагрузки от ширины

Как видно из приведенных зависимостей, глубина проникновения излучения в гранулы ПВХ составляет ~ 19 см, в пленку -10 см. Такая зависимость объясняется тем, что насыпная плотность гранул составляет 710 кг/м3, а плотность пленки -1400 кг/м3. Из приведенных экспериментов следует, что ПВХ имеет достаточно высокую поглощающую способность, что позволяет осуществить его модификацию в электромагнитном поле.

На рис. 3 приведены зависимости напряжения разрыва модифицированной ПВХ пленки от ширины образца. Из их анализа следует, что механические свойства модифицированного материала улучшаются до 10%. Энергия электромагнитного излучения, поглощаемого полимером, составляет 54 кДж/кг.

Исследование прочностных характеристик проводились согласно ГОСТ 11262-80 на измерительной разрывной машине.

образца

Проведенные исследования показали высокую эффективность использования электромагнитного излучения для нетепловой модификации полимеров, позволяющего улучшить механические свойства и качество готовой продукции.

Литература

1. Калганова С. Г. Электротехнология нетепловой модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле. Дис.... докт. техн. н. — Саратов, 2009.

2. Д. Л. Рахманкулов, И. Х. Бикбулатов, Н. С. Шула-ев, С. Ю .Шавшукова. Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов.— М.: Химия, 2003.— 220 с.

3. Р. Р.Даминев, И. Х.Бикбулатов, Н. С.Шулаев, Д. Л. Рахманкулов. Гетерогенные каталитические промышленные процессы под действием электромагнитного излучения СВЧ диапазона.— М.: Химия, 2006.— 134 с.

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