Свч электротехнологических установок для модификации диэлектриков
 Скачать 2.15 Mb.
|
Нетепловая СВЧ модификация диэлектриковНетепловоеСВЧвоздействиенадиэлектрикиО нетепловом воздействии СВЧ электромагнитных колебаний на ди- электрики первыми заговорили микробиологи, биофизики, технологи пище- вой промышленности в связи с применением СВЧ генераторов для пастери- зации молока [6, 13]. Было установлено, что при СВЧ воздействии пастери- зация молока происходит при меньшей температуре, чем при традиционной тепловой обработке. Сейчас можно считать установленным наличие нетеп- лового действия СВЧ электромагнитных колебаний на бактериальную клет- ку (на биополимеры) [13]. Словосочетание "нетепловое воздействие СВЧ электромагнитных колебаний" появилось в литературе сравнительно недавно в связи с работа- ми в области применения СВЧ электромагнитных колебаний для модифика- ции полимерных материалов. Речь идёт о таком воздействии СВЧ электро- магнитных колебаний на разрешенных в СВЧ электротехнологии частотах, при котором обрабатываемый объект, находясь в СВЧ электромагнитном поле короткое время, нагревается незначительно или не нагревается вовсе. При этом у него появляются новые, представляющие практический интерес технологические свойства. Так, проведенные на клеточном, молекулярном, органном уровне исследования воздействия СВЧ электромагнитных колеба- ний на живые системы показали, что они чувствительны к воздействию СВЧ электромагнитных колебаний миллиметрового диапазона нетепловой интен- сивности [20]. Поскольку биологические объекты являются биополимерами, их отклик на нетепловое действие СВЧ электромагнитных колебаний позво- лил выдвинуть гипотезу о существовании нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на полимерные объекты неживой природы, приводящего к модификации их свойств [21, 22]. В настоящее время установлена возможность модификации свойств при нетепловой обработке в СВЧ электромагнитном поле полимерных мате- риалов разного технологического назначения: смазочно-охлаждающих жид- костей и вязких смазочных материалов, применяемых в машиностроении, термореактивных смол, в частности эпоксидных, текстильных материалов и волокон на основе поликапроамида [23-25]. Исследования, например, показали увеличение удельной разрывной нагрузки нитей поликапроамида после 5-10 с пребывания в СВЧ электро- магнитном поле, когда температура объекта в процессе обработки остается практически постоянной [23]. Установлено также, что время отверждения эпоксидной смолы при кратковременном воздействии на неё СВЧ электромагнитным полем, сокра- щается в 10-50 раз с технологическими показателями, не уступающими по- казателям контрольных образцов, отвержденных на воздухе в естественных условиях [24, 25]. Одним из первых исследований в этом направлении является исследо- вание модификации свойств материала из полисульфоновой смолы – поли- мерного волокнистого материала, относящегося к полиариленсульфонам [21]. Установлено, что на частоте 2450 МГц полисульфон ФП СФ-60 прак- тически радиопрозрачен, то есть не нагревается, в то же время в результате нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний изменяются его физико-химические параметры: на 53,6 % увеличивается относительное удлинение, на 63,4% увеличивается щелочевпитываемость, на 46% умень- шается относительное электрическое сопротивление. Эти изменения зависят от напряженности электрического поля, ориентации материала относительно направления вектора Еи времени обработки. Оптимальный режим этого воздействия позволяет улучшить эксплуатационные свойства полисульфона в качестве, например, сепарационного материала в химических источниках тока. Что касается механизма нетеплового действия СВЧ электромагнит- ных колебаний на полимеры, то здесь, на наш взгляд, еще много неясного и можно говорить лишь о версиях такого механизма. Так, большинство свойств полимеров зависит не только от молекуляр- ной массы, молекулярно-массового распределения. Два полимера могут иметь одно и то же химическое строение и почти одинаковое молекулярно- массовое распределение, но обладать совершенно разными свойствами: один из образцов может быть аморфным, а другой – кристаллическим, один - мяг- ким и гибким, а другой – твердым. Все эти свойства определяются межмоле- кулярными и внутримолекулярными взаимодействиями полимерных цепей в агрегированном состоянии [26]. Большинство полимеров, используемых на практике, не являются чис- то кристаллическими или аморфными, а содержат как кристаллические, так и аморфные области. Кристаллические области в полимере не имеют совер- шенной решеточной структуры. В этих областях сегменты цепей образуют небольшие упорядочные пачки или агрегаты, напоминающие трехмерные кристаллические решетки низкомолекулярных кристаллов. Эти упорядочен- ные области в полимерном материале называют кристаллитами. Кристалли- ты могут быть представлены как области, состоящие из несовершенных кри- сталлоподобных агрегатов. Степень кристалличности полимера оказывает очень большое влияние на такие его свойства, как плотность, твердость, проницаемость для жидкостей, теплоемкость и электропроводность [26, 27]. При ориентационной вытяжке полимеров с кристаллитами, кроме то- го, происходит существенная перестройка структуры: изменяется степень кристалличности. Этими изменениями обусловлено уменьшение электро- проводности полимеров при их вытяжке [27]. Поскольку степень ориентации макромолекул у полимеров с кристал- литами значительно выше, чем у аморфных полимеров, то у полимеров с кристаллитами ориентационная вытяжка сильно влияет на диэлектрические свойства [27]. Эту зависимость диэлектрических свойств полимеров от их структуры используют при изучении строения полимеров измеряя их ε ′ и tgδ. Следует, однако, отметить, что, на наш взгляд, исследования нетепло- вого СВЧ модифицирующего воздействия на диэлектрики находятся в на- чальной стадии. Им пока что не хватает системности, развитой методологи- ческой базы, характерны проблемы в области терминологии. Появление новых или модифицированных материалов всегда было ве- хой в развитии техники[26-27], а потому нам представляется весьма акту- альным исследования материаловедческого аспекта применения СВЧ элек- тромагнитных колебаний. СВЧ электротехнологические установки нетеплового действия и их классификацияСВЧ электротехнологическими установками нетеплового действия будем называть установки, в которых с помощью нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний осуществляется модификация диэлек- триков. Подобного рода установки представляют собой принципиально но- вый класс СВЧ электротехнологических установок. Спецификой нынешнего этапа является, с одной стороны, неполное представление о механизме нете- пловой СВЧ модификации и отсутствие некоторых исходных данных для проектирования этих установок, а с другой стороны − отсутствие их клас- сификации. Разумеется, опыт расчетов и проектирования СВЧ электротер- мических установок может быть использован при разработке методов рас- четов и проектирования СВЧ электротехнологических установок нетепло- вого действия, однако необходимо выяснить границы допустимого заимст- вования. Что касается классификации этих установок, то в качестве опреде-  ляющих признаков можно выбрать температуру нагрева модифицируемо- го диэлектрика и режим работы установки (рис.1.8). Рис. 1.8. Классификация СВЧ электротехнологических установок нетеплового действия Примером СВЧ электротехнологических установок нетеплового дей- ствия без дополнительного нагрева является установка для нетепловой мо- дификации полимерных нитей. В этом технологическом процессе из-за ма- лого tgδполимерных нитей тепловыделение за счет поглощения СВЧ энер- гии настолько мало, что повышение температуры обрабатываемого объекта практически не регистрируется. В СВЧ электротехнологических установках нетеплового действия с экзотермическими реакциями в обрабатываемом объекте поглощение СВЧ энергии по-прежнему мало, но при этом обрабатываемый диэлектрик в той или иной степени нагревается за счет экзотермической реакции, развиваю- щейся благодаря нахождению полимера в СВЧ электромагнитном поле. Примером установки этого типа может быть установка для модификации эпоксидной смолы при её отверждении. СВЧ электротехнологические установки нетеплового действия, как и СВЧ электротермические установки, могут быть периодического и методи- ческого действия, работать независимо от любых других установок (авто- номный режим), в технологической линии с установками других типов или быть собранными в самостоятельную технологическую линию. В отличие от классификации, приведенной на рис. 1.7, в классифика- ции СВЧ электротехнологических установок нетеплового действия (рис. 1.8) не указаны конкретные технологические процессы нетепловой СВЧ моди- фикации, поскольку область применения СВЧ энергии для реализации по- добных технологий подлежит дополнительному исследованию. Структурная схема простейшей СВЧ электротехнологической уста- новки нетеплового действия приведена на рис. 1.9. Как и СВЧ электротер- мическую установку, такую СВЧ электротехнологическую установку нетеп- лового действия запитывает один источник энергии. Отличительной осо- бенностью этой установки является наличие балластной нагрузки, предна- значенной для поглощения неизрасходованной на нетепловую модификацию энергии СВЧ электромагнитных колебаний. В качестве балластной нагрузки может быть использована согласован- ная калориметрическая нагрузка, представляющая собой короткозамкнутый отрезок стандартного волновода с расположенной в нем наклонной круглой трубой из радиопрозрачного диэлектрика, через которую прокачивается вода с расходомG, удовлетворяющим соотношению Pпрош 70 G∆Т, (1.6) где Pпрош– непоглощенная при нетепловой модификации СВЧ мощность,         кВт; Gв л /мин; ∆Т – разность температур, на которую нагревается вода в балластной нагрузке, 0С.  Рис. 1.9. Структурная схема СВЧ электротехнологическая установка нетеплового действияРазумеется, в СВЧ электротехнологической установке нетеплового действия должно быть вспомогательное технологическое оборудование (рис. 1.9), необходимое для обеспечения заданного технологического режима не- тепловой модификации. Накопленного опыта реализации таких технологий недостаточно, чтобы определить номенклатуру вспомогательного оборудо- вания, однако, заметим, она может быть весьма разнообразна. Так, напри- мер, это может быть, как и в СВЧ электротермической установке, воздухо- дувка или вакуумирующая система, удаляющая пары (газы) из рабочей ка- меры, если они выделяются из обрабатываемого объекта в процессе нетеп- ловой модификации. Поглощение неиспользованной при модификации СВЧ мощности ска- зывается на энергетическом КПД СВЧ установки η1 Ротр Рпрош −=, Рсвч (1.7) где Рсвч мощность источника энергии установки; Ротр мощность, от- раженная от рабочей камеры установки, а соотношением (1.6). Рпрош определяется, например, Для повышения η, то есть для повышения энергетической эффектив- ности установки, необходимо уменьшить мощность отраженной от рабочей камеры волны Ротр и мощность, поглощаемую в балластной нагрузке Рпрош. Уменьшение Ротр может быть обеспечено решением задачи согла- сования рабочей камеры с СВЧ генератором на рабочей длине волны[28]. Рпрошможет быть уменьшена, если непоглощенную в модифицируемом ди- электрике мощность повторно использовать для нетепловой модификации [29]. В этом случае с помощью волноводных поворотов и дополнительных излучающих и приемных систем поток СВЧ энергии для нетепловой моди- фикацией обрабатываемого объекта нужно направить так, как показано на рис. 1.10. Следует иметь ввиду, что если tgδ обрабатываемой среды достаточно мал, то и многократное использование прошедшей через модифицируемый объект мощности будет незначительным, отчего существенного уменьшения прошедшей в балластную нагрузку мощности не произойдет. В этом случае энергетический КПД СВЧ электротехнологической установки    Источник энергииОбрабатываемый объект 2 СВЧ генератор 1 Волноводны й пов орот Блок питания 2 1 Приемная система  1 2  Излучающая системы 2 1 Балластная нагрузка  VРис. 1.10. СВЧ ЭТУ НД с многократным использованием СВЧ энергии (1 – излучающая сис- тема, 2 – приемная система) нетеплового действия будет существенно меньше, чем у СВЧ электротер- мической. Это обстоятельство не может быть основанием для отказа от СВЧ электротехнологических установок нетеплового действия, так как КПД ха- рактеризует важный, но не единственный показатель этих установок. В ус- ловиях рыночной экономики решающим показателем является чистая при- быль, получаемая при эксплуатации данного технологического оборудова- ния. Даже при сравнительно низком энергетическом КПД прибыль может быть весьма привлекательной для инвестора и покупателя этого оборудова- ния. В то же время всегда желательно обеспечить максимальную энергети- ческую эффективность, так как это увеличивает прибыль. Энергетическая эффективность может быть повышена, если вместо балластной нагрузки не- использованную при модификации СВЧ энергию направить в специаль- ную дополнительную рабочую камеру, в которой реализуется иной техноло- гический процесс, скажем, тепловая модификация второго диэлектрика [30]. Эта мощность может быть весьма значительной, если для нетепловой модификации диэлектрика в СВЧ электромагнитном поле требуется доста- точно высокое значение напряженности электрического поля Е. Иными словами, в одной СВЧ установке предлагается использовать вырабатываемую источником энергию СВЧ электромагнитных колеба- ний для двух разных технологических процессов: нетепловой модифика- ции, например, полимерного материала и тепловой модификации какого- либо другого диэлектрика. Такие установки будем назвать гибридными [30]. Энергетический КПД гибридных установок может быть рассчитан по фор- муле Р η−=1 + Ротр2о,тр1 Р (1.8) где Р 2от–рм1,ощности, отраженные от рабочих камер нетепловой и тепло- вой модификаций. Структурная схема гибридной установки представлена на рис.1.11. Необходимо отметить, что, несмотря на отсутствие в некоторых случаях сведений о оптимальных параметрах модифицирующего воздействия на ди- электрики, можно и целесообразно говорить о разработке методов расчета нового класса СВЧ установок – СВЧ электротехнологические установки не- теплового действия. Наибольший теоретический и практический интерес при этом представляют установки, позволяющие проводить нетепловую модификацию диэлектриков с большими поверхностями.                      33         Рис. 1.11. Структурная схема СВЧ гибридной установки |