CC BY
47
УДК 54.07
И. Г. Ибрагимов (д.т.н., проф., зав. каф.)1, Е. М. Абакачева (к.т.н., доц.)2,
С. П. Иванов (к.т.н., доцент)2
Улучшение физико-механических свойств изоляционных материалов для трубопроводов при воздействии электромагнитного поля СВЧ-диапазона
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра технологии нефтяного аппаратостроения 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2420830 2Стерлитамакский филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета, кафедра оборудования нефтехимических заводов 453118, г. Стерлитамак, пр. Октября 2б; тел. (3473) 291130, e-mail: elena-abakacheva@rambler.ru
I. G. Ibragimov 4, E. M. Abakacheva 2, S. P. Ivanov 2
Increasing of the physicomechanical properties of materials for pipelines by influence of the electromagnetic field
of a microwave range
Ufa State Petroleum Technological University I, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (347) 2420830 2Branch of Ufa State Petroleum Technological University in Sterlitamak 22 b, Oktyabrya pr., 453II8, Sterlitamak, Russia; ph. (3473) 29II30, e-mail: elena-abakacheva@rambler.ru
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 при этом повышается разрывная нагрузка модифицированной пленки.
Ключевые слова: модификация; полимер; электромагнитное излучение.
This paper presents some results of experimental analysis of depth of microwave penetration into PVC tape and granules for those tapes fabrication, where a high efficiency of microwave radiation for a non-thermal polymer modification was appeared. It was shown an increasing of breaking load for modified tape.
Key words: microwave radiation; modification; polymer.
Одной из главных задач по повышению надежности и снижению коррозионности различных трубопроводных систем является увеличение срока службы изоляционных полимерных покрытий за счет изменения физико-химических свойств. Для этих целей возможно применение химической модификации с добавлением стабилизаторов и пластификаторов. Однако их получение — достаточно сложный, многостадийный процесс, что обусловливает высокую стоимость. Кроме того, некоторые типы наполнителей приводят к онкологическим и другим тяжелым заболеваниям.
В настоящее время получают все большее распространение методы воздействия на технологические среды посредством различных типов волн1. Активно развиваются такие направления исследований в области химии, как микроволновая, звуковая химия, химия ударных волн. В последние годы увеличивается количество статей об успешном применении для модификации физико-химических свойств полимерных материалов сверхвысокочастотного электромагнитного излучения. В связи с этим одним из путей решения проблемы увели-
Дата поступления 09.09.11
чения срока службы изоляционных покрытий может быть переход на новые технологии, использующие физические явления, в частности СВЧ-поля.
Материалы и методы исследования
Для проведения нетепловой модификации полимерных материалов с использованием СВЧ электромагнитного излучения с целью улучшения их механических свойств необходимо знать комплексные характеристики сред, на которые оказывает воздействие электромагнитное поле 2. К числу таких комплексных характеристик относится степень поглощения веществом электромагнитного излучения, которое определяется глубиной проникновения й.
Однако в связи с тем, что нахождение глубины проникновения расчетным путем является довольно сложной задачей, требующей знания электрофизических свойств веществ, а именно, для общего случая, действительные и мнимые части диэлектрической и магнитной проницаемости и проводимости среды, а значение тангенса угла диэлектрических потерь tgd меняется с изменением температуры во времени, для различных каталитических систем, применяемых в СВЧ технологии3, сложных по своему химическому составу и обладающих физической неоднородностью, необходимо проведение специальных экспериментов по определению глубин проникновения электромагнитного излучения в данные каталитические системы.
При помощи экспериментальной установки (рис. 1) проводилась нетепловая модификация и определялись глубины проникновения в гранулы (табл. 1), из которых впоследствии изготавливаются изоляционные материалы — поливинилхлорида (ПВХ), полипропилена (ПП), полиэтилентерефталата (ПЭТ) и полиэтилена высокого давления (ПЭВД).
Из приведенных экспериментов следует, что материалы на основе поливинилхлорида имеют достаточно высокую поглощающую способность, что позволяет осуществить их модификацию в электромагнитном поле, в частности, улучшить механические свойства. Это можно объяснить также тем, что молекулы ПВХ относятся к полярным диэлектрикам, в отличие от всех остальных типов материалов, и имеют наибольший дипольный момент без воздействия стороннего электромагнитного поля.
Рис. 1. Схема экспериментальной 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 — штуцеры ввода и вывода воды из согласующей камеры соответственно; 9 — термопара; 10 — вольтметр; 11 — амперметр; 12 — корпус установки.
Таблица 1
Глубина проникновения и электромагнитной волны в диэлектрики
Глубина
Диэлектрики проникновения, см
Гранулы полиэтилена 41
Гранулы полиэтилентерефталата 28
Гранулы полипропилена 34
Гранулы кабельного пластиката 19
на основе ПВХ
Гранулы поливинилхлорида 19
Пленка поливинилхлоридная 10
Результаты и их обсуждение
Ээкспериментально подтверждена возможность использования СВЧ ЭМИ для нетепловой модификации полимерных изоляционных материалов с целью улучшения их физико-механических свойств, в частности, улучшения механические и гидрофобные свойства полимерной пленки (рис. 2).
Как видно из представленных на рис. 2 зависимостей, при уровне мощности менее
Удельная энергия, Шуд, кДж кг
-ПВХ Ширина 75 мм --ПВХ Ширина 25 мм - - - ПЭ Ширина 75 мм — - - ПЭ ширина 25 мм
Рис. 2. Зависимость удельной энергии образцов от разрывной нагрузки
51 кДж/кг в ПВХ пленке наблюдается незначительное увеличение прочностных свойств, а при мощности более 258 кДж/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.
Данный эффект нетеплового воздействия СВЧ электромагнитных колебаний на структуру полимерного материала сводится к следующему: 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 полимера4. И это, в свою очередь, создает дополнительные энергетические возможности для образования новых межмолекулярных взаимодействий.
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.
В пленках на основе ПЭВД при различных уровнях воздействия СВЧ ЭМИ не наблюдается подобных эффектов ввиду того, что
эти материалы относятся, в отличие от ПВХ, к неполярным диэлектрикам, которые характеризуются незначительным изменением электрических свойств в широком диапазоне температур и частот.
Таким образом, для проведения процесса модификации поливинилхлоридной пленки определены оптимальные характеристики в области от 102.6 до 205.8 кДж/кг. В случае с полиэтиленом таких областей не наблюдалось.
Между тем, под действием кислорода полиэтилен ухудшает свои физико-химические, физико-механические, диэлектрические и другие свойства, т.е. стареет. При этом процесс окисления полиэтилена носит автокаталитический характер и по мере возрастания и углубления окисленности скорость этого явления возрастает. В результате такого старения снижается относительное удлинение, морозостойкость, появляется хрупкость, и образуются трещины на полиэтиленовых материалах. Следовательно, под полиэтиленовыми покрытиями на поверхности стальных труб коррозия должна проявляться раньше и в большей степени, чем под поливинилхлоридной пленкой.
Результаты проведенных исследований явились основой для разработки способа нетепловой модификации полимерных изоляционных материалов для трубопроводов и конструкции установки для получения полимерной пленки с высокими прочностными характеристиками без создания определенной газовой среды.
Технический результат достигается за счет обработки полимерной пленки электромагнитным полем сверхвысокочастотного диа-
пазона удельной мощностью излучения от 102.6 до 205.8 кДж/кг и временем экспозиции от 10 до 180 с между стадиями каландрования и охлаждения.
Технологическая линия производства полимерной пленки показана на рис. 3, в которой стадия обработки электромагнитным полем сверхвысокочастотного диапазона находится между стадиями каландрования и охлаждения. Способ производства полимерной пленки включает в себя последовательные стадии каландрования 1, охлаждения 2 и намотки 3, при этом между стадиями каландрования 1 и охлаждения 2 присутствует стадия обработки полимерной пленки электромагнитным полем сверхвысокочастотного диапазона 4.
Полимерный материал загружается в узел каландрования 1, где происходит его формование и калибрование между зазорами каландра, после чего полимерная пленка подается на стадию обработки пленки электромагнитным полем сверхвысокочастотного диапазона 4, где происходит ее нетепловая модификация, затем пленка подается на стадию охлаждения 2, где
происходит его термостабилизация, после которой пленка сматывается в рулон.
Технология позволяет увеличивать ресурс изоляционных покрытий за счет улучшения физико-механических свойств и повышает эко-логичность производства.
Литература
1. Калганова С.Г. Электротехнология нетепловой модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле. Дис.... д. тех. н.— Саратов; Саратовский гос. тех. университет, 2009.
2. Рахманкулов Д. Л., Бикбулатов И. Х., Шулаев Н. С., Шавшукова С. Ю. Микроволновое излучение и интенсификация химических процессов.- М.: Химия, 2003.- 220 с.
3. Даминев Р. Р., Бикбулатов И. Х., Шулаев Н. С., Рахманкулов Д. Л. Гетерогенные каталитические промышленные процессы под действием электромагнитного излучения СВЧ диапазона.-М.: Химия, 2006.- 134 с.
4. Архангельский Ю. С., Девяткин И. И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов.-Саратов: Саратов. гос.ун-т, 1983.- 140 с.
