автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Влияние СВЧ электромагнитных колебаний на физико-химические свойства полимерного сепарационного материала из полисульфоновой смолы и применение СВЧ электротехнологической установки для обработки сепараторов химических источников тока

Введение.

1. Применение сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний в технологических процессах.

1.1. Применение сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний для термообработки диэлектриков.

1.1.1. Области применения СВЧ электромагнитных колебаний для термообработки.• • •

1.1.2. Принцип применения СВЧ энергии для термообработки

1.1.3. Устройства для СВЧ термообработки диэлектриков.

1.2. Применение сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний для нетепловой обработки диэлектриков.■ • ■

1.2.1. Области применения СВЧ электромагнитного поля для нетепловой обработки.

1.2.2. Механизм нетеплового воздействия электромагнитных колебаний

1.2.21. Воздействие электромагнитных колебаний на биологические объекты.

1.2.22. Механизм нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимеры

1.2.3. СВЧ устройства для нетеплового воздействия на объекты

1.3. Постановка задачи.

Выводы.

2. Влияние СВЧ электромагнитных колебаний на физико-химические свойства полимерного волокнистого сепарационного материала из полисульфоновой смолы.

2.1. Применение пленочных сепараторов в химических источниках тока

2.1.1. Свойства полисульфона.

2.1.2. Методики контроля качества сепаратора.

2.1.21. Контроль щелочевпитываемости сепаратора.

2.1.22. Определение прочности на разрыв и относительного удлинения.

2.1.23. Определение абсолютного электрического сопротивления сепаратора

2.1.24. Определение диаметра пор сепаратора.

2.2. Стабильность физико-химических показателей полимерного волокнистого сепарационного материала

2.3. Влияние СВЧ электромагнитного поля на физико-химические показатели сепарационного материала.

2.3.1. Влияние СВЧ электромагнитного поля на относительное удлинение, абсолютное электросопротивление и щелочевпитываемость сепаратора

2.3.2. Измерение диэлектрических параметров полимерного волокнистого сепарационного материала.

2.3.3. Рентгенографическое и ИК-исследования полимерного волокнистого сепарационного материала.

2.3.4. Влияние напряженности СВЧ электромагнитного поля на величину относительного удлинения полимерного волокнистого сепарационного материала.

Выводы.

3. Применение СВЧ электротехнологической установки для обработки сепараторов химических источников тока.

3.1. Рабочая камера СВЧ электротехнологической установки для обработки сепараторов химических источников тока.

3.2. Конструкция СВЧ электротехнологической установки для об работки сепараторов ХИТ

Выводы.

Химические источники тока (ХИТ) в настоящее время используются почти во всех областях техники. Они универсальны, что обусловлено рядом их эксплуатационных преимуществ: независимость от посторонних источников тепла или излучения, бесшумность работы, а также широкий диапазон электрической мощности, которая может быть от них получена (от 10"5 Вт до 10 Вт и более).

Одним из главных направлений научно-исследовательских работ в области создания ХИТ является поиск и разработка новых материалов, применение которых позволит увеличить долговечность (количество рабочих циклов) и надежность ХИТ при их длительной эксплуатации в жестких режимах.

Наиболее широко применяемыми химическими источниками тока являются аккумуляторы с плотной сборкой пластин, так как они имеют более высокие удельные характеристики. Одним из важных элементов конструкции в таких аккумуляторах является сепаратор, поэтому подбору сепаратора, его физико-химическим характеристикам уделяется особое внимание. Однако далеко не всегда физико-химические характеристики сепарационного материала соответствуют предъявляемым к ним требованиям, поэтому перед производителями ХИТ обычно стоит задача улучшения характеристик исходного сепарационного материала, которое проводится различными, довольно трудоемкими и протяженными во времени способами.

В связи с этим интересно было исследовать влияние сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных колебаний на физико-химические свойства полимерного сепарационного материала из полисульфоновой смолы, определить оптимальные режимы обработки этого материала в СВЧ электромагнитном поле, а также разработать СВЧ электротехнологическую установку для промышленной обработки полимерных материалов для нужд электротехнической промышленности и, таким образом, получить возможность, изменяя режимы обработки сепарационного материала в поле СВЧ электромагнитных колебаний, придавать ему заранее определенные свойства.

Для успешного решения этой проблемы потребовалось проведение ряда экспериментальных исследований и испытание образцов в реальных условиях производства ХИТ.

В результате были сформулированы и обоснованы следующие научные положения, которые выносятся на защиту:

1. При обработке сепарационного материала из полисульфоновой смолы в поле СВЧ электромагнитных колебаний не наблюдается повышение температуры обрабатываемого объекта.

2. При нетепловом воздействии СВЧ электромагнитного поля происходит изменение в структуре полимера, что выражается в изменении его физико-химических параметров и диэлектрических свойств.

3. Степень нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на полимеры зависит от величины напряженности электромагнитного поля и ориентации полимера в электромагнитном поле.

4. При воздействии СВЧ электромагнитного поля на полисульфон увеличивается его относительное удлинение, уменьшается абсолютное электрическое сопротивление и увеличивается щелочевпитываемость.

5. Наиболее равномерную обработку полимера можно получить в рабочей камере, работающей в режиме бегущей волны - камере с бегущей волной (КБВ).

Целью диссертационной работы является исследование влияния СВЧ электромагнитного поля на физико-химические свойства полимерного волокнистого сепарационного материала на основе полисульфоновой смолы, рекомендации (на основе экспериментально полученных данных) по применению

СВЧ электротехнологической установки для нетепловой обработки полимеров, а также разработка рекомендаций по промышленной обработке полимерных сепарацонных материалов для ХИТ в поле СВЧ электромагнитных колебаний.

Научная новизна представленной диссертации состоит в том, что

- проведены систематические исследования нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на твердое органическое вещество небиологического происхождения (полисульфон),

- создана методика экспериментального исследования нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимеры,

- определены оптимальные режимы воздействия СВЧ электромагнитного поля на полимерное волокно на основе полисульфоновой смолы, измерены диэлектрические свойства полисульфона на сверхвысоких частотах, установлена зависимость физико-химических свойств полисульфона от напряженности электрического поля, времени обработки и ориентации его пластин в СВЧ электромагнитном поле,

Практическая ценность диссертации заключается в том, что полученные в ходе исследования практические результаты позволяют создавать сепа-рационный материал с заранее заданными свойствами, улучшить свойства се-парационного сырья, применяемого для изготовления сепараторов ХИТ, а это в свою очередь позволяет увеличить срок эксплуатации ХИТ и их надежность.

Результаты экспериментальных исследований, предложения по конструкции СВЧ электротехнологической установки переданы Научно-исследовательскому институту химических источников тока (АО НИИХИТ, г. Саратов). Все исследования, изложенные в диссертации, выполнялись в соответствии с календарным планом договора о научном сотрудничестве с АО НИИХИТ и планом темы 04.В "Разработка и исследование источников пита8 ния, электродинамических функциональных устройств, электротехнологических установок и систем" кафедры "Автоматизированные электротехнологические установки и системы" (АЭУ) Саратовского государственного технического университета (СГТУ).

Диссертация состоит из трех глав, введения, заключения и приложений. Основное содержание опубликовано в пяти печатных работах. Материалы диссертации докладывались на научных конференциях и семинарах кафедры АЭУ СГТУ, на Всероссийской научной конференции "Электротехнология сегодня и завтра", Чебоксары, 1997 г., направлялись на Межрегиональную НТ конференцию "Микроволновые технологии и изучающие системы", Казань, 1997 г.

Основные результаты работы и выводы из них сводятся к следующему:

1. Проведены систематические исследования нетеплового воздействия СВЧ электромагнитного поля на твердое органическое вещество небиологического происхождения (полисульфон).

Установлено:

- изменения температуры полисульфона при обработке его в поле СВЧ электромагнитных колебаний не происходит;

- обработка в поле СВЧ электромагнитных колебаний дает изменения физико-химических параметров сепарационного материала, таких как относительное удлинение, щелочевпитываемость, абсолютное электрическое сопротивление;

- после обработки полисульфона СВЧ электромагнитными колебаниями наблюдалось также изменение его диэлектрических свойств: tgS обработанного в поле СВЧ электромагнитных колебаний полисульфона увеличился в четыре раза по сравнению с необработанным образцом;

- изменения химического состава полисульфона при этом не происходит, что доказано с помощью ИК-спектроскопии;

- в процессе обработки полисульфона в поле СВЧ электромагнитных колебаний в его структуре произошли изменения, что доказывается проведенными рентгенографическими исследованиями обработанных и необработанных в поле СВЧ образцов полисульфона. Увеличение tg8 полисульфона также доказывает, что в структуре полисульфона произошли изменения, так как известно, что увеличение полимера иллюстрирует, во-первых, уменьшение его кристалличности, а во-вторых, изменение оси ориентации макромолекул вещества. Увеличение tg8 доказывает, что при обработке полимера в поле СВЧ электромагнитных колебаний вектор напряженности электрического поле Е перпендикулярен оси ориентации молекул.

2. Измерены диэлектрические свойства полисульфона на частоте 2450

Мгц.

3. Установлено, что изменения физико-химических свойств полисульфона, произошедшие в следствии обработки его в поле СВЧ электромагнитных колебаний, сохраняются в течение длительного времени (повторные измерения проведены через 2,5 мес. после обработки).

4. Создана методика эксперимента обработки полисульфона в поле СВЧ электромагнитных колебаний.

5. Установлены зависимости физико-химических свойств полисульфона от времени обработки и мощности генератора. Определены оптимальные режимы воздействия СВЧ электромагнитного поля на полисульфон.

6. На основе полученных экспериментальных данных даны рекомендации по применению СВЧ электротехнологической установки для нетепловой обработки полимеров в поле СВЧ электромагнитных колебаний, которая может применяться для обработки сепараторов для химических источников тока.

Применение данной установки в электротехнической промышленности,

105 в частности на предприятиях, производящих химические источники тока позволяет:

- улучшить качество сепарационного сырья, используемого для произ водства сепараторов ХИТ,

- получать сепарационное сырье с заранее заданными свойствами,

- увеличить срок эксплуатации химических источников тока и их надежность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате научных исследований и опытно-конструкторской работы, положенных в основу этой диссертации, решены следующие задачи:

- исследовано влияние СВЧ электромагнитного поля на физико-химические свойства полимерного волокнистого сепарационного материала ФПСФ-6С на основе полисульфоновой смолы;

- на основе экспериментально полученных данных сконструирована СВЧ электротехнологическая установка для нетепловой обработки полимеров;

- разработаны рекомендации по использованию СВЧ электротехнологической установки для обработки сепараторов в производстве химических источников тока.

1. Рогов И.А., Некрутман C.B. Сверхвысокочаетотный и инфракрасный нагрев пищевых продуктов.- М.: Пищевая промышленность, 1976.

2. СВЧ энергетика: В 3 т./ Под ред. Э. Окресса.- М.: Мир, 1971.- Т.2

3. Некрутман C.B. Тепловая обработка пищевых продуктов в электрическом. поле СВЧ. М.: Экономика, 1972 .

4. Рогов И.А., Горбатов A.B. Физические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974.

5. Некрутман C.B. Аппараты СВЧ в общественном питании. М.: Экономика, 1973 .

6. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. Саратов.: Изд. СГУ, 1983 .

7. A.c. 371344 СССР. Опубл. в Б.И. 1973 г., N 12. Рабочий орган для расширения скважин в мерзлых породах/ Л.Б.Некрасов (СССР) и др.

8. Долгополов H.H. Электрофизические методы в технологии строительных материалов. М. : Изд. литературы по строительству, 1971.

9. Термообработка дисперсных продуктов СВЧ энергией/ Гончарова Л.В. и др. М.: Инженерная геология. Теория, практические проблемы. 1993.

10. Soil decontamination via microwave and radio frequency co-votilization// G.Cliford and other. Envión, prog., 1992, 11, N 3. p. 42-48.

11. Wyss B. Vulcanisation des profils: micro-ondes gagnent du terrain. Rev. gen. cantch. et plast., 1991. p. 6-7.

12. Method of heating polyvinil chloride using microwave.: Пат 4855553 США, МКИ H05 в 6/64 Minode tomio 555981. Заявл. 29.11.83. Опубл. 8.08.89, приор. 24.02.83, 58-29945 (Япония), АКИ 219/10.55М.

13. Шехтер Ю.Н. и др Интенсификация химико-технологических процессов нефтепереработки и нефтехимии при воздействии электромагнитных полей // Химия и технология топлив и масел, 1974. N 9, С. - 12-16.

14. Розенблюм Н.Д. и др. О методике радиационной модификации и получение эластичных радиационно-устойчивых полиолефиновых пленок // Радиационная химия полимеров. М.: Наука, 1966.

15. Шейнкер Н.П. Радиационная полимеризация в жидком состоянии // Школа по радиационной химии полимеров. Ташкент, 1969. - С. 26-33.

16. Суминов В.М. и др. Параметры трибологических систем в низкоэнергетическом лазерном поле/ Тезисы докл. Всерос. НТ конференции "Новые материалы и технологии" 1997. М., 1997. С. 5.

17. Суминов В.М. и др. Влияние низкотемпературного лазерного поля на технические параметры смазочной жидкости. Тезисы докл. Всерос. НТ конференции "Новые материалы и технологии" 1997. -М., 1997. С. 6.

18. Суминов В.М. и др. интенсификация процесса пропитки материалов низкоэнергетическим лазерным полем. Тезисы докл. Всерос. НТ конференции "Новые материалы и технологии" 1997. М., 1997. С. 8.

19. Суминов В.М. Использование низкоэнергетического лазерного излучения для интенсификации процесса фильтрации. Тезисы докл. Всерос. НТ конференции "Новые материалы и технологии" 1997. М., 1997. С. 9.

20. Суминов В.М. Влияние низкоинтенсивного лазерного излучения на физико-химические свойства растворов и жидкостей. Тезисы докл. Всерос. НТ конференции "Новые материалы и технологии" 1997. М., 1997. С. 10.

21. Суминов В.М. и др. Влияние низкоэнергетического лазерного излучения на процесс сорбционной очистки жидких сред. Тезисы докл. Всерос. НТ конференции "Новые материалы и технологии" 1997. М., 1997. С. И.

22. Исмаилов Э.Ш. К механизму влияния макроволн на проницаемость эритроцитов под влиянием микроволн и его механизма // Научн. доклады высшей школы, серия "Биологические науки", 1971. N 3, - С. 58 - 60.

23. Нетушил A.B. ВЧ нагрев диэлектриков и полупроводников. М,- Л.: Госэнергоиздат, 1959.

24. ВЧ нагрев в электрическом поле/ Нетушил A.B. и др М.: Высшая школа, 1961.

25. СВЧ энергетика. В Зт/ Под ред. Окресса Э., М.: Мир, 1971. Т. 1.

26. Слесарев В.Г., Лосев Ю.И., Шмичев B.C. СВЧ сушка многокомпонентных силикатных синтетических материалов //Всесоюз. НТ конф. "Применение токов ВЧ в эл.- технологических процессах: Тез.докл. Л., 1991. С. 8.

27. Перовский Э.В., Лопатин A.A. Иследование процесса склеивания многослойной фанеры с помощью СВЧ облучения //Всесоюз. НТ конф. "Применение токов ВЧ в эл.- технологических процессах: Тез.докл. Л., 1991. С. 11-12

28. Брыков С. Использование ВЧ установки для обеззараживания сточных вод // Всесоюз. НТ конф. "Применение токов ВЧ в эл.- технологических процессах: Тез.докл. Л., 1991. С. 13-14.

29. Брыков С., Захаров В.Г. Перспективные направления применения микроволнового нагрева в промышленности// Всесоюз. НТ конф. "Применение токов ВЧ в эл.- технологических процессах: Тез.докл. JL, 1991. С. 5.

30. Шарков Г., Лоенко В. Использование СВЧ-энергии для сушки моркови //Всесоюз. НТ конф. "Применение токов ВЧ в эл.- технологических процессах: Тез.докл. Л., 1991. С. 15.

31. Разделение органики при изготовлении душистых веществ. За-явл.3926471 ФРГ, МКИ5 Н05 В 6/64, В01 j6/00, N 3926471.8. Заявл. 10.8.89.

32. A.c. СССР Н05 В9/06, N 647898, Заявл. 3.01.77, N 2442909, опубл. 18.02.79. СВЧ устройство для термообработки протяженных диэлектрических материалов/ Корьев A.C., Альтер-Песоцкий Ф.Л.(СССР).

33. Альтер-Песоцкий Ф.Л. Разработка и внедрение новых технологических процессов отделки текстильных материалов на основе использования электрофизических методов // Электронная обработка материалов, 1977. N 1.-С. 63-66.

34. A.c. 448337 СССР. Опубл. в Б.И. 1974 г., N 40. Устройство для сушки диэлектрических лент, например кинопленки/ Архангельский Ю.С. и др.(СССР).

35. A.c. 516886 СССР. Опубл. в Б.И., 1976 г. , N 21. Устройство для сушки тонких рулонных диэлектрических материалов/ Сатаров И.К. и др.(СССР).

36. A.c. СССР N 243567. Заявл. 4.09.67, опубл. 13.10.69. Конденсатор ВЧ установки для термообработки текстильных материалов типа жгутов и канатов/ Бровченков К.Е., Альтер-Песоцкий В.Ф. и др. (СССР).

37. Абдуллин И.Ш. и др. ВЧ плазменная обработка изделий из полимерных материалов.//Всесоюз. НТ конф. "Применение токов ВЧ в эл.- технологических процессах: Тез.докл. JI., 1991. с. 16-17.

38. Jansen W. Di лЫйпэсЬ drogen: een nienwe optie. Energiespectrum, 1991, 15, N9, p. 219-227.

39. Apparatus for microwave heating test coupons. Пат. 4999469 США. МКИ5 H05 В6/80 Dudley Kenneth N. N 503025. Заявл. 2.04.90. Опубл. 12.3.91. НКИ 219/10.55 А.

40. Siefens P.F. Recent trends in dielectric heating. SRBE, 1991, 107, N 1, p. 4-17.

41. Действие ионизирующих излучений и полей СВЧ диапазона на биологические объекты: Сб. статей СГУ. Саратов, 1974.

42. Влияние электромагнитных полей СВЧ диапазона на бактериальную клетку/ Игнатов A.B. и др Саратов: Изд. СГУ, 1978.

43. Дебай П., Закк Г. Теория электрических свойств молекул. М,- Л.: ОНТИ, 1936.

44. Дебай П. Полярные молекулы. М.- Л.: Сов. радио, 1957 .

45. Девяткин И.И. и др. СВЧ генераторы промышленного применения/ Докл. 1 симпозиума по применению СВЧ энергии в отраслях пищевой промышленности. -М., 1972. С. 33 37.

46. Говарикер В.Р.и др. Полимеры. М.: Наука, 1990 г.

47. Электрические свойства полимеров / Под ред. Сажина Б.И. -Химия, Ленинград, отделение. 1977 .

48. Тюдзе Р. Физическая химия полимеров. М.: Мир, 1992.

49. Балаба и др. Аппараты для микроволновой рефлексодиагностики и терапии // Электронная промышленность, 1987. Вып. 1. С. 20-23.

50. Применение мм-излучений низкой интенсивности в биологии и медицине / Под ред. Девяткова Н.Д. М.: ИРЭАН СССР, 1985.

51. Шестиперов В.А. Новые направления использования СВЧ в биологии и медицине // Электронная промышленность, 1982. Вып. 8. С. 56-63.

52. Багоцкий B.C., Скундин A.M. Химические источники тока. M.: Энергоиздат, 1981.

53. Энциклопедия полимеров: ВЗ т. М.: Советская энциклопедия, 1974.- Т.2.

54. Келлер П., Джеснер В. Термо- и фотоокисление полисульфонов // Сб. статей "Новые поликонденсационные полимеры" /Под ред. Роговина З.А., Валецкого П.М. М.: Мир, 1969 г. С. 272- 274.

55. Ли Г., Стоффи Д. и др. Новые линейные полимеры. М.: Химия,1972.

56. Электрокинетические свойства капиллярных систем. M.-J1: M. -Л.:1956.

57. Стендер В.В. Диафрагмы для электролиза водных растворов. M. -Д.: Госхимиздат. 1948.

58. Зевин Л.С., Хайдер Д.М. Рентгеновские методы исследования, 1972.

59. Лущейкин Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров, 1982.

60. Гильманова В.А. Исследование влияния СВЧ электромагнитного поля на свойства полимеров// Технологические СВЧ установки, функциональные электродинамические устройства. Межвуз.научн.сб., С., СГТУ, 1998 г. С. 110-113.

61. Реакция организма человека на ЭМИ миллиметровой длины волны // Вестник АН СССР, 1985. -N 1.- С. 24-32.

62. Альтер-Песоцкий Ф.Л. Результаты и перспективы применения ВЧ и СВЧ энергии в текстильной и легкой промышленности/ Тезисы Всес. научно112технической конференции. С.- Петербург, 1995. - 4.2.- С. 49-50.

63. Архангельский Ю.С., Гильманова В.А.,Назарова Т.М., Тригорлый C.B. Исследование влияния электромагнитного поля на свойства полиме-ров//Электротехнология сегодня и завтра: Тез.докл. Всерос. научн. конф. -Чебоксары, 1997 г. С. 6.