CC BY
72
1.3. ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ С КОМПЛЕКСОМ ЗАДАННЫХ СВОЙСТВ РАДИАЦИОННЫМ МЕТОДОМ.
ЧАСТЬ 3
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук, зав. лабораторией №1. Институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: rustam-shsul@yandex.com.
Ермаков Владимир Петрович, старший научный сотрудник, лаборатория №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Рахимов Мурод Рустамович, младший научный сотрудник, лаборатория №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Юлдашев Носиржон Хайдарович, доктор физ.-мат. наук, профессор Ферганский политехнический ин-ститут E-mail: uzferfizika@mail.ru
Исмоилов Каримжон, старший научный сотрудник. Ферганский политехнический институт E-mail: uzferfizika@mail.ru
Хатамов Солижон Охунжанович, кандидат физ.-мат. наук, доцент. Ферганский политехнический институт E-mail: uzferfizika@mail.ru
Аннотация: Разработана технология получения пленочно-керамического композита с активными микровключениями на основе функциональной керамики, максимально поглощающими энергию солнечного излучения и полиэтиленовой пленки для обогрева парников и теплиц. Изготовлены опытные образцы трехслойных композитных пленок с каскадным преобразованием солнечной энергии в инфракрасный диапазон заданной спектральной области с максимумами в окрестности длин волн 3,3 и 9,7 мкм. Натурными испытаниями в теплично-парниковых хозяйствах показано, что композитные пленки с содержанием функциональной керамики в 1.0 и 1.5 масс. %, обеспечивают ночью положительные температуры 3-7оС при отрицательной температуре -(7-10)оС окружающей среды без дополнительного отопления.
Ключевые слова: пленочно-керамический композит, функциональная керамика, активные микровключения, трехслойная композитная полиэтиленовая пленка, обогрев теплиц и парников, эффективное преобразование солнечной энергии.
1.3. FEATURES OF SYNTHESIS OF FUNCTIONAL CERAMICS WITH A COMPLEX OF THE SET PROPERTIES BY A RADIATION METHOD. PART 3
Rakhimov Rustam Khakimovich., doctor of technical Sciences, head of laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Yermakov Vladimir Petrovich, senior research associate, laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbeki-stan Academy of sciences. E-mail: labimanod@uzsci.net
Rakhimov Murod Rustamovich, laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Yuldashev Nosirjon Haydarovich, Doctor of Science in Physics and Mathematics, professor. Fergana polytechnical insti-tute. E-mail: uzferfizika@mail.ru
Ismailov Karimjan, senior research associate, Fergana polytechnical institute. E-mail: uzferfizi-ka@mail.ru
Hatamov Solijan Ohujanovich, the Ph.D in Physics and Mathematics, senior research associate, Fergana polytechnical institute. E-mail: uzferfizika@mail.ru
Abstract: Is developed technology of receiving a film and ceramic composite with the active microinclusions on the basis of functional ceramics which are most absorbing energy of sunlight and polyethylene film for heating of hotbeds and greenhouses. Prototypes of three-layer composite films with cascade transformation of solar energy to
infrared range of the set spectral area with maxima in the vicinity of lengths of waves of 3,3 and 9,7 microns are made. By natural tests in hothouse and greenhouse farms it is shown that composite films with the maintenance of functional ceramics in 1.0 and 1.5 masses. % provide at night positive temperatures 3-7oC at a negative temperature - (7-10)oC environments without additional heating.
Index terms: film and ceramic composite, functional ceramics, active components, three-layer composite polyethylene film, heating of greenhouses and hotbeds, effective transformation of solar energy.
ВВЕДЕНИЕ
Предложен метод обогрева теплиц и парников с применением функциональной керамики. Разработана функциональная керамика на основе окисидов элементов для преобразования энергии солнечного света в инфракрасное излучение с заданными спектральными и временными характеристиками [1-4]. Показано, что применение пленочно-керамического композита позволяет более эффективно использовать энергию солнечного излучения для обогрева теплиц и парников за счет смещения спектра в длинноволновую область с использованием фотолюминофоров в виде дисперсного микровключения. Исследованные трехслойные пленочно-керамические композиты оказались эффективнее на 14-25 % по использованию солнечной энергии относительно варианта применения штатного стекла и на 10-15 % по сравнению с трехслойной турецкой пленкой.
Предварительные результаты опубликованы в [5].
Для обеспечения максимальной эффективности преобразования солнечной энергии с применением керамико-пленочного композита, оказалось необходимой оптимизировать не только химический состав, структуру функциональной керамики, но и соотношение керамика/полиэтилен. В результате экспериментального исследования свойств композита установлено, что наилучшее сохранение температуры в ночное время при низкой температуре окружающей среды можно осуществить, используя трехслойный композит, в котором функциональная керамика содержится только в нижнем слое в концентрации 0,5-1,5 масс %. Характерно, что толщина ниж-
него слоя керамики в интервале 15-40 мкм практически не влияет на свойства композита.
Изготовлены опытные образцы трехслойных композитных пленок с каскадным преобразованием солнечной энергии в инфракрасный диапазон заданной спектральной области с максимумами в 0,62-0,68 мкм и 9,7-10 мкм.
Выбор длин волн в интервале осуществлялся на основании следующего положения.
Абсолютная температура Т(К) связана с длиной волны излучения X (мкм) соотношением Т=2898/Л
Следовательно, Х=9,7-10 мкм соответствует температурному интервалу 290-299 градусам Кельвина или 17-26 градусам Цельсия. Следует подчеркнуть, что из одного высокоэнергетического фотона УФ и видимой области, образуется 10-20 фотонов, с энергией соответствующей температуре 17-26оС. Это равноценно увеличению мощности светового потока для поддержания температуры в указанном интервале во столько же раз.
Натурными испытаниями в теплично-парниковых хозяйствах показано, что композитные пленки с содержанием функциональной керамики в 1.0 и 1.5 масс. % обеспечивают ночью положительные температуры 3-5оС при отрицательной температуре -(7-10)оС окружающей среды без дополнительного отопления.
В настоящее время одной из основных проблем человечества является глобальное потепление. Во всем мире основной упор в области энергетики направлен не только на создание систем, позволяющих более эффективно использовать традиционные источники энергии, но разработке новых принципов пре-
образования возобновляемых видов энергии (ВИЭ) - солнечной, ветровой и т.д.
Как известно, во многих странах мира отопительный сезон проходит очень болезненно из-за нехватки топлива и других источников энергии. Природные запасы энергии с течением времени все больше уменьшаются. Поэтому многие страны остро нуждается в возобновляемых дешевых, экологически чистых нетрадиционных источниках энергии, в бережном её использовании и в разработке эффективных технологий целенаправленного преобразования солнечной энергии.
Следует также сказать о высоком расходе энергии, затрачиваемой для кондиционирования помещений в жаркий период. Для эквивалентного снижения температуры на ту же величину, необходимо затратить вдвое больше энергии, чем на нагрев. Это означает, что охлаждая помещения, мы еще больше стимулируем глобальное потепление.
Широкое развитие получили фотоэлектрические преобразователи, солнечные воздухо- и водонагреватели, ветрогенераторы, солнечные электростанции, использующие концентрирующие системы для получения перегретого пара и т.д. Существенным недостатком таких систем, является высокая материалоемкость, низкая эффективность и надежность, сложность изготовления и эксплуатация.
Строго говоря, необходимо учитывать и ту энергию, которая была затрачена на производство металла и других комплектующих. Наблюдается такой парадокс - многие устройства не могут вернуть полностью даже энергию, затраченную на их изготовление. В результате такие системы не в состоянии конкурировать с традиционными.
Если говорить о теплицах, парниках и помещениях, то следует сказать, что часть солнечной энергии видимого диапазона, проходящей через прозрачное стекло, отражаясь от внутренней поверхности стенки помещения или защищенного грунта, обратно выходит через окно или пленки наружу, не участвуя в процессе отопления, также как и ультрафиолетовая часть солнечного света, которая почти
полностью поглощается или отражается стеклом или пленкой.
В связи с этим, создание системы отопления и охлаждения помещений, обогрев парников и теплиц, устраняющий эти недостатки, на основе плёночно-керамических композитов с активными микро- и нановключениями является одним из путей эффективного решения энергетической и экологической проблемы.
Основными задачами настоящего проекта являются:
- создание функциональной керамики без использования солнечной энергии, но с основными характеристиками подобной той, что получена на большой солнечной печи, которая с максимальной эффективностью преобразует энергию Солнца в излучение необходимого спектрального диапазона (с максимумом 0,62-0,68 мкм и 9,7-10,0 мкм)
- изготовление пленочно-керамического композита на основе функциональной керамики и полиэтиленовой пленки для эффективного обогрева парников и теплиц.
- экспериментальное изучение эффективности пленочно-керамического композита на основе функциональной керамики и полиэтиленовой пленки для стабилизации температуры парников и теплиц в зависимости от внешних условий; проведение натурных полевых исследований.
На современной трехшнековой установке ООО «Original Grand Plast» (г.Ташкент,) изготовлены опытные образцы пленочно-керамического композита на основе функциональной керамики и полиэтиленовой пленки для эффективного обогрева парников и теплиц - трехслойная полиэтиленовая пленка с содержанием функциональной керамики в количестве 0,5; 1,0 и 1,5 масс % в нижнем слое композита.
§1.1. Современные проблемы использования полиэтиленовых пленок для обогрева теплиц и парников
Современная пленка для теплиц эластична, морозостойка и влагонепроницаема. И, в то же время, она хорошо пропускает кислород и углекислый газ, полностью прозрачна для ультрафиолета и видимой части солнечного спектра. Кроме того, пленка обладает свето-рассеивающей способностью, что особенно ценно для растений. В отличие от стекла
пленка проницаема для ультрафиолетовых волн с длиной волны 280 нм, в то время как для стекла нижняя граница проницаемости -315 нм. Несмотря на свою популярность, пленка уже с первых лет своего использования для теплиц и парников оказалась недостаточно атмосфероустойчивой. В этой связи уже через полгода эксплуатации она выходила из строя. Кроме того образовывала капель, которая вредна для тепличных растений, формировала на своей поверхности электростатический заряд, который притягивал пыль - а это снижение ее прозрачности на 24%. И, наконец, пленка постоянно растягивалась, что среди огородников создавала проблему закрепления на парнике без провиса.
За последние годы появился новый вид пленки для парников и теплиц, которые разительно отличаются от своих предшественниц. Это антистатические, способные хорошо удерживать тепло полиэтиленовые пленки со специальным ультрафиолетовым стабилизатором. Благодаря использованию такого покрытия, в телице значительно улучшается микроклимат, а вот сами пленки нового поколения способны прослужить 2,5 года и больше.
Выбор пленки для конкретной теплицы или парника напрямую зависит от особенности самого парника. Например, идеальная пленка для односезонного использования - полиэтиленовая.
Появились также и пленки со специальными ячейками по 20-30 мм. Такие пузырчатые покрытия характеризуются теплоудерживающей способностью и долговечностью. Но, естественно, света они уже пропускают меньше.
В настоящее время промышленностью выпускаются следующие виды пленок для теплиц и парников.
1 - полиэтиленовая нестабилизированная пленка
Такая пленка пропускает до 80% тепловой и ультрафиолетовой радиации, а потому в ночные часы плохо удерживает тепло. Ее срок службы - около полугода. Для повышения
прочности в состав такой пленки вводят свето-стабилизаторы.
2 - полиэтиленовая стабилизированная гидрофильная пленка
Главное отличие этой пленки - формирование на ее поверхности плоскокапельного конденсата. Капельки воды образуются и скатываются вниз, но без какой-либо капели. А специальные антистатические добавки не позволяют такой пленке быстро покрываться пылью; она остается достаточно прозрачной в течение всего срока эксплуатации. Кроме того, такая пленка малопроницаема для инфракрасных лучей. Благодаря этому, и в ночные часы тепла из теплицы теряется намного меньше - этому способствует и слой образовавшейся воды на ее внутренней поверхности. Урожай в теплице с таким покрытием особенно богат благодаря тому, что в ней значительно уменьшены колебания температуры.
3 - полиэтиленовая теплоудерживающая пленка
Современная пленка полиэтиленовая для теплиц с повышенным уровнем поглощения тепловой радиации - идеальное решение для тех, кто пытается экономить на обогреве. А потому в теплицах с таким покрытием температура выше на 1-3оС, нежели под стабилизированной и нестабилизированной пленкой. Кроме того, теплоудерживающая пленка обладает ценными антистатическими свойствами и гидрофильной поверхностью. Пленка имеет матово-белесый оттенок, но не обладает такой хорошей прочностью, как предыдущие виды. Зато по данным исследований урожай овощных культур в такой теплице на целых 10-30%. Срок службы около 9 месяцев.
4 - полиэтиленовая армированная пленка
Современная армированная пленка для парника или теплиц обладает наибольшей эксплуатационной надежностью. Изготавливается она на основе обычной стабилизированной пленки, которую армируют полиэтиленовыми очень плотными нитями, толщина которых -0,29-0,32 мм. Пленка очень прочна и не рвется, благодаря чему может прослужить до 2
лет. Армированная пленка для теплиц обладает проницаемостью на 10-12% ниже, чем у стабилизированной.
5 - сополимерная этиленвинилацетатная пленка
Эта пленка для парника или теплицы - особенно прочна. И в то же время она эластична, светостойка и обладает проницаемостью для видимой части спектра до 92%, хорошо задерживает ценную тепловую радиацию. Со-полимерная пленка морозостойка, особо устойчива к проколам и ветровым нагрузкам и гидрофильна - в ней конденсат образуется сплошным водяным слоем. Единственный ее недостаток - это большая светопроницаемость, из-за чего в особо жаркие дни в теплице может случиться элементарный перегрев. Служит такая пленка три года.
6 - поливинилхлоридная пленка
Современная ПВХ пленка для теплиц намного эластичнее и долговечнее всех существующих видов. Ко всему она еще и имеет меньшую проницаемость в инфракрасной части спектра, а потому в периоды заморозков и ночные часы в теплице будут более высокие температуры. Но кроме инфракрасных лучей, поливинилхлоридная пленка пропускает мало и ценных ультрафиолетовых лучей - всего 20%, а потому применяться может далеко не во всех сферах.
Также пленка ПВХ запылятся достаточно быстро, однако грязь с нее легко смывается простой водой. Поливинилхлоридная пленка провисает и периодически требует подтягивания, иначе из-за ветра в местах провисания она быстро разрывается. Срок эксплуатации поливинилхлоридной пленки - около 8 лет.
Кроме основных, сегодня используются и менее известные пленки для покрытия теплиц, и многие новые виды пока находятся на экспериментальной стадии. Так, буквально недавно был создан новый вид пленки, которая преобразует коротковолновое ультрафиолетовое излучение в длинноволновое красное. И под такой пленкой фотосинтез происходит значительно эффективнее. Созревание
томатов ускорено почти в 2 раза, по сравнению с полиэтиленовой пленкой.
Полиэтиленовые пленки с добавками фотолюминофоров на основе оксидов железа и хрома с незначительными добавками оксидов РЗЭ, к числу которых и относится пленочно-керамический композит, находят в настоящее время широкое применение для теплиц и парников в сельском хозяйстве при выращивании овощей в условиях закрытого грунта. Использование пленок здесь приводит к значительному увеличению урожайности многих сельскохозяйственных культур, сокращению сроков их выращивания. Такой эффект, названный «полисветановым», объясняется в настоящее время люминесцентными свойствами пленок - способностью изменять спектр излучения Солнца за счет поглощения его коротковолновой части и трансформации в красную область спектра. В то же время данные по исследованию особенностей люминесценции таких пленок очень ограничены. В связи с этим нами проводились исследования таких пленок полиэтилена высокого давления (ПЭВД) с добавками 0,5 -1.5% масс функционально керамических фотолюминофоров с добавками оксидов редкоземельных элементов, обладающих люминесценцией в инфракрасной области спектра.
Пленки, получившие в настоящее время название «светокорректирующие», изготовлены из полиэтилена высокого давления методом экструзии с раздувом по технологии.
Спектры люминесценции исходных люминофоров и пленок с их добавками могут быть получены как по типичным для флуоресцентной спектроскопии методикам (спектрометр СДЛ-1 с источником излучения лампой ДРШ-250 и фильтром УФС-6), так и по специально разработанной для этой цели методике с использованием Солнечного излучения и аку-стооптического спектрометра «Кварц 3102».
Особенностью пленок является дисперсный, гетерофазный характер распределения фотолюминофоров в полимерной матрице. Такой характер исследуемых композиционных материалов связан с практически полным отсутствием растворимости люминофоров на осно-
ве указанных выше соединений в полимерной матрице и подтверждается данными люминесцентной микроскопии.
Гетерофазный характер исходных полимерных композиционных материалов определяет особенности фотофизических свойств полученных из них светокорректирующих пленок.
§1.2. Разработка промышленной технологии производства трехслойной керамической полиэтиленовой пленки с использованием местных сырья Узбекистана
Полимерные материалы, содержащие в своем составе люминофоры различного химического состава, преобразующие видимую и ультрафиолетовую части солнечного излучения в узкополосное люминесцентное излучение применяются, как в промышленности, так и в научно-исследовательской работе. Они широко используются в сельском хозяйстве, где в качестве материала защищенного грунта используется полиэтиленовая пленка с добавками люминофоров на основе оксидов различных элементов, активизирующая рост и развитие растений. Основные физические свойства таких пленок определяется гетерофазными, дисперсными характерами распределения добавок люминофоров в полимерной матрице, что позволяет поглощать и преобразовывать излучение Солнца, которые в свою очередь и привели к созданию многослойных и многофункциональных полиэтиленовых пленок.
В настоящее время для обогрева и защиты от неблагоприятных погодных условий в теплично-парниковых хозяйствах нашей республики используют различные полиэтиленовые пленки, как отечественного, так и зарубежного производства. Среди них большим спросом обладает трехслойные пленки с защитой от ультрафиолетовой (УФ) фотодеструкции. Однако всё ещё имеется ряд существенных проблем относительно физико-химических свойств таких пленок.
Во-первых, низкий уровень теплоудержания, особенно в зимние периоды.
Во-вторых, при умеренных температурах (Т < 20оС) окружающей среды из-за наличия насыщенного пара в теплицах на внутренней поверхности пленки происходит процесс конденсации и образование водяных каплей, которые падая на растения, заражают их.
В-третьих, недостаточно высокая атмосферо-устойчивость и накопление электростатического заряда, что снижает прозрачность пленок более чем на 20%.
В-четвертых, недостаточная механическая прочность - пленки постоянно растягиваются.
Хотя современная теплоудерживающая полиэтиленовая пленка для теплиц с повышенным уровнем поглощения тепловой радиации позволяет экономить на обогреве и в теплицах с таким покрытием температура выше на 1-3оС, нежели под стабилизированной и нестабилизированной пленкой, к сожалению, не обладает хорошей прочностью и прослужит она около 9 месяцев.
В связи с вышеизложенным, целью данного исследования являлась разработка промышленной технологии производства композитной полиэтиленовой пленки с достаточными свойствами теплоудержания, атмосферо-устойчивостью и низким уровнем каплеобра-зования. Указанная цель достигалась путем разработки функциональной керамики по доступной для массового производства технологии, а также проведения натурных полевых исследований в теплично-парниковых хозяйствах с достаточной площадью. Причем, функциональная керамика должна преобразовывать энергию солнечного света даже не высокой плотности, в импульсное инфракрасное излучение с заданными спектральными и временными характеристиками.
Синтез функциональной керамики на основе оксидов железа, хрома, меди, кальция, магния, алюминия и РЗЭ осуществлялся по следующей схеме.
Необходимые компоненты тщательно перемешивались в планетарных мельницах в водно-спиртовой среде, затем сушились и выдерживались при температуре 800оС. После
этого, образцы помещались в специальную камеру с излучателями на основе функциональной керамики, генерирующей импульсы в диапазоне 3,3 мкм на 1 час. Полученный материал, являющейся основой керамико-полимерного композита измельчался в планетарных мельницах в водной среде до 1-3 мкм. Затем, высушивался в ИК-сушилках.
Полученный мелкодисперсный порошок добавлялся в сырье для производства нижнего слоя трехслойного керамико-полимерного композита.
Исследованные пленочно-керамические композиты оказались эффективнее по использованию солнечной энергии на 14-25%, относительно штатного стекла и на 10-15% по сравнению трехслойной полиэтиленовой пленки с защитой от УФ фотодеструкции. Показано, что трехслойные композитные пленки с содержанием функциональной керамики в 1.0 и 1.5 масс. % обеспечивают ночью положительные температуры 3-7оС при отрицательной температуре -(7-10)оС окружающей среды без дополнительного отопления.
Многослойные полимерные пленки изготовляют методом соэкструзии расплавов различных полимеров через кольцевую или плоскую многоканальную головку (число каналов определяется числом слоев); в формующей головке потоки расплавов соединяются, не перемешиваясь, в результате на выходе из нее получается многослойная полимерная пленка.
Для улучшения адгезии между разнородными расплавами полимеров может быть использован синтетический клей, поступающий в канал формующей головки в виде потока расплава полимера. Одним из основных преимуществ производства многослойных пленок методом соэкструзии, является экономия, обусловленная тем, что готовый материал получается непосредственно из гранулятов пластических масс в ходе единого технологического процесса.
Соэкструзионная технология предусматривает безотходное производство пленок. В равной степени береговые обрезки и другие отходы производства могут быть использованы для создания срединного слоя, в том числе в
случае, когда производимая пленка предназначена для непосредственного контакта с пищевыми продуктами.
В результате, удалось разработать промышленную технологию производства пленочно-керамического композита для эффективного обогрева теплиц и парников на основе функциональной керамики и полиэтиленовой пленки, используя только местные сырья Республики Узбекистан. Благодаря свойствам разработанной функциональной керамики получен пленочно-керамический композит, превосходящий по основным эксплутацион-ным параметрам зарубежные аналоги.
В качестве первичного материала для синтеза функциональной керамики служили многокомпонентные отходные материалы Алмалыкского горно-металлургического комбината по производству цветных металлов. Для полимерной матрицы использовали полиэтиленовые гранулы (крошки), изготовленные в Шуртанском газохимическом комплексе (г. Карши).
Промышленная технология производство трехслойной композитной полиэтиленовой пленки включала три этапа:
л «
1-процесс подготовки многокомпонентной функциональной керамики в виде порошка с размерами зерен 1-3 мкм;
2- процесс изготовления первичного сырья в виде композитных крошек с помощью специальной установки - гранулятора;
А Ч/
3-производство готовой продукции трехслойной композитной полиэтиленовой пленки в рулонах с помощью специальной трехшне-ковой полиэтиленовой установки.
Ранее группой ученых Института Материаловедения НПО «Физика-Солнце» во главе Р.Х. Рахимова был экспериментально исследован пленочно-керамический композит на основе функциональной керамики, полученной на БСП, и полиэтиленовой пленки в лабораторных условиях. Поэтому используя достигнутые результаты, на первом этапе технологии выполнены работы по оптимальному выбору химического состава, технологии производства функциональной керамики (без ис-
пользования БСП), ее структуры и зернового состава исходя из конкретной цели изготовления композитной полиэтиленовой пленки с улучшенными оптическими и теплофизиче-скими параметрами для эффективного применения их в теплично-парниковых хозяйствах.
Учитывая, что потребность в пленках для тепличных хозяйств велика, а возможности производства специальной функциональной керамики на БСП ограничены в количественном отношении, была проведена большая работа по разработке такой технологии, которая позволила бы производить ее в необходимом количестве.
После тщательного анализа результатов предыдущих работ и известных спектров люминесценции керамических оксидов для синтеза функциональной керамики пришли к выводу, что наиболее целесообразно использовать многокомпонентные соединения на основе оксидов железа, меди, кальция, магния, алюминия и РЗЭ.
На втором этапе промышленной технологии производилась подготовка пленочно-керамических композитных гранул. Для этого изготовленный порошок функциональной керамики со средним размером зерна 1-3 мкм вводили сначала в количестве 5,0-10,0 масс. % в растворённый полиэтилен при температуре ~100оС. Полученная композитная суспензия тщательно перемешивался для равномерного распределения керамических частиц, а затем пропускалась через гранулятор. В результате были получены композитные крошки (гранулы) радиусом 1 мм, длиной 4 мм. Для однородного распределения керамики в полиэтиленовой матрице операцию гранулирования повторяли несколько раз, растворяя вновь композитные крошки с добавленной чистой полиэтиленовой крошки новой порции до достижения необходимого состава в масс. % керамики. В результате были получены пленоч-но-керамические композитные гранулы с содержанием функциональной керамики 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 масс. %.
На заключительном этапе изготовлены известным методом экструзии с раздувом под высоким давлением по технологии опытные образцы трехслойного пленочно-
керамического композита. Установлено, что для получения микро- и нанокомпозитных пленок на основе полиэтилена высокого давления с минимальной пористостью, необходимо обеспечить температуру формования 110оС. При этом общая толщина композитной пленки - 100 мкм, а плотность составляла 990±10 кг/м3.
Изготовленная таким образом композитная полиэтиленовая плёнка с керамическими микровключениями состоит из трёх слоёв, каждый из которых с толщиной по 30 мкм и каскадным путём преобразуют солнечного излучения. Первый слой - полиэтиленовая пленка с добавками, преобразующими ультрафиолетовый диапазон солнечного излучения в видимый. Это позволяет не только более эффективно использовать энергию солнечного света, но и защищает саму пленку от фотодеструкции, что значительно продлевает срок ее службы. Второй слой - полиэтиленовая пленка без добавок, является упрочняющим, а также снижает обратное излучение преобразованного третьим слоем видимого спектра в ИК-излучение в ночное время. Третий слой - содержит функциональную керамику, которая поглощает солнечную энергию в широком диапазоне и преобразует его в излучение с максимумами 0,62-0,68 мкм, которое необходимо для фотосинтеза и в дальнее ИК-излучение с максимумом 9.7-10,0 мкм для поддержания оптимальной температуры. Это обеспечивается тем, что функциональная керамика позволяет создать из одного высокоэнергетического фотона УФ и видимой области, 10-20 фотонов, с энергией соответствующей температуре 17-26оС.
Полученные результаты открывают перспективу изменения ряда основных физических макроскопических параметров композитных полиэтиленовых пленок для обогрева теплиц и парников путем изменения температуры
формования, состава, процентного содержания функциональной керамики и толщин отдельных слоев.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ I
1. Наибольшая потребность в настоящее время, в трехслойных полиэтиленовых пленках с добавками для защиты от ультрафиолетовой фотодеструкции. Однако до сих пор всё ещё имеются ряд существенных проблем относительно физико-химических свойств таких пленок.
Во-первых, низкий уровень сохранения тепла.
Во-вторых, при умеренных температурах (Т < 20оС) окружающей среды на внутренней поверхности пленки происходит процесс кап-леобразования.
В-третьих, недостаточно высокая атмосферо-устойчивость и накопление электростатического заряда, которые снижают прозрачность пленок более чем на 20%.
В-четвертых, недостаточная механическая прочность, - пленки постоянно растягиваются.
2. Разработана новая промышленная технология производства трехслойной композитной полиэтиленовой пленки с достаточно большой теплоудержимостью и сниженным темпом каплеобразования, которая включает три этапа:
1) процесс подготовки многокомпонентной функциональной керамики в виде порошка с размерами зерен 1-3 мкм;
2) процесс изготовления первичного сырья в виде композитных крошек с помощью специальной установки - гранулятора;
3) производство готовой продукции - трехслойной композитной полиэтиленовой пленки методом экструзии с раздувом под высоким давлением в рулонах с помощью специальной трехшнековой полиэтиленовой установки.
Такая пленка отличается от известных турецких и других аналогичных пленок составом и структурой третьего нижнего при установке -слоя из композитной полиэтиленовой крошки с определенным процентным содержанием функциональной керамики.
3. Трехслойные пленочно-керамические композиты с содержанием функциональной керамики в 1.0 и 1.5 масс. % используют солнечную энергию на 14-25 % эффективнее относительно штатного стекла и на 10-15 % по сравнению стандартной трехслойной полиэтиленовой пленки с защитой от УФ фотодеструкции.
Глава II. НАТУРНО-ПОЛЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ПЛЕНОЧНО-КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА В СИСТЕМЕ ОБОГРЕВА ТЕПЛИЦ И ПАРНИКОВ
Проведено экспериментальные и натурные испытания теплофизических и агротехнических параметров пленочно-керамического композита в реальных полевых условиях. Натурными испытаниями в теплично-парниковых хозяйствах показано, что трехслойные композитные полиэтиленовые пленки с содержанием функциональной керамики в 1.0 и 1.5 масс. % обеспечивают ночью положительные температуры 3-5С при отрицательной температуре - (7-10)оС окружающей среды без дополнительного отопления. Рекомендован пакет предложений для серийного производства и эксплуатации пленочно-керамических композитов.
§2.1. Результаты исследования теплофизических свойств трехслойного пленочно-керамического композита для обогрева теплиц
Одной из главных задач настоящего исследования - экспериментальное изучение теп-лофизических и агротехнических свойств пле-ночно-керамического композита на основе функциональной керамики и полиэтиленовой. Далее приведены результаты экспериментальных исследований некоторых теплофизи-ческих и биологически активирующих свойств изготовленных опытных образцов пленочно-керамического композита, полученные в ходе проведения натурных полевых испытаниях. Для этого в тепличном фермеровском хозяйстве «Водий нихол умиди» г.Ферганы было выбрано два участка по 300 м2 с металлическими дугообразными каркасами радиусом 2.5 м и длиной 60 м. После соответствующей подготовки каркасы покрыли пленками в два слоя с воздушным зазором толщиной 10 см.
Нижний слой на первом каркасе состоял из композитной пленки с содержанием керамики в количестве 0,5 масс. % (Пленка №1), а на втором каркасе - аналогичной пленки с керамикой в 1.5 масс. % (Пленка №2). Для верхнего слоя использовали обычную однослойную полиэтиленовую пленку толщиной 30 мкм. Оба тепличные помещения не отапливались.
Помидорную рассаду посадили 15 марта 2015 года под пленкой №1 и 22 марта под пленкой №2.
Вечером 27 марта ночью был сильный ураган со скоростью ветра 20-25 м/с и погода ухудшилась до образования ночных заморозок. Пленка №2 была сорвана с обеих концов по 5 и 15 метров вместе с удерживающими их металлическими проволоками. Успели укрепить пленку лишь с одного торца, а второй торец остался под открытым небом, т.к. 31 марта выпал снег толщиной 40 см, температура ночью понизилась до -8оС, днем 1 апреля стоял такой же мороз. Утром 2 апреля обнаружили, что рассада под пленкой №1 полностью сохранилась, где температура была постоянно выше + 5оС. Рассада под Пленкой №2 до глубины 5 м от открытого торца замерзла и погибла, а в остальной части сохранилась полностью также как под плотно закрытой пленкой №1. Это было серьезное испытание композитной пленки на сохранение тепла. В то же это время, в теплице, расположенной рядом, под двухслойным укрытием штатного стекла и обычной полиэтиленовой пленкой при использовании частичного дополнительного обогрева было потеряно около 50% рассады.
Дальнейшие сравнительные наблюдения в апрели и мая месяцев 2015 г. показали, что скорость роста рассады под композитными пленками почти в два раза превышали развитие рассады под открытым небом (рис.10) и 1.5 раза скорости развития рассады под штатным стеклом. Стебли и листья каждой рассады были крупными и крепкими. Период цветения сократился в 1.3 раза. Число цветков на каждом ярусе было не меньше 5-8 вместо 2-5. Ночью под Пленкой №1 температура была выше
на 6-8оС, а под Пленкой №2 - на 8-10оС, чем наружная. Днем в зависимости от степени солнечной радиации эти показатели составляли 15-20оС и 17-25оС. Композитные пленки практически не зависали до наружных температур + 35оС включительно. При наружных температурах ниже 200С на внутренней поверхности композитных пленок наблюдались мелкие капли диаметром 1-2 мм, причем на Пленке №2 размер капли не превышали 1 мм независимо от точки росы и влажности под пленкой. Следует сказать, что даже такое слабое каплеобразование можно полностью устранить, если сократить толщину нижнего композитного слоя до 10-15 мкм. Считаем, что все эти новые результаты обусловлены наличием функциональной керамики в третьем -внутреннем слое композитной пленки и естественно, её инфракрасной люминесценцией под действием радиации Солнца.
Урожай помидоров из израильского сорта ЕЬРЮО получился следующим. На каждом кусте ростом до 1.5-2 метров созревало по 20-30 помидоров, которые весили по 200-300 г. Урожайность с каждого куста составила в среднем 6-8 кг, тогда как под штатным стеклом она доходила максимум до 4 кг.
Возможный механизм наблюдаемых явлений заключается в следующем:
Керамика преобразует широкий спектр солнечного излучения, неиспользуемого для фотосинтеза, в фотоны с длиной волны 9,7-10,0 мкм, что соответствует температуре 17-26оС;
Из одного высокоэнергетического фотона образуется около 20 фотонов с указанной энергией:
- Функциональная керамика генерирует инфракрасное излучение в импульсном режиме. Учитывая, что плотность энергии в импульсе может превышать среднее значение во много раз, то и глубина прогрева почвы, практически, пропорционально увеличится во столько же раз;
- Функциональная керамика содержится в нижнем слое композита. Через верхние слои видимый свет проходит с небольшим ослаблением, но преобразованное излучение в 9,7-10 мкм не пропус-
кается композитом и вся энергия остается внутри теплицы;
- При низких температурах окружающей среды, композит имеет относительно высокую температуру. В связи с этим, не наблюдается или наблюдается слабая конденсация влаги на нем;
Урожайность значительно повышается благодаря тому, что композит генерирует излучение 0,62-0,68 мкм - наиболее эффективное для фотосинтеза. Кроме того, керамика в нижнем слое композита позволяет значительно лучше рассеивать поступающее и генерируемое световое излучение. Это также существенно влияет на усвоение световой энергии растениями.
Выводы по главе II
Проведено комплексные натурально-полевые испытания теплофизических и биологически активирующих свойств изготовленных опытных образцов пленочно-керамического композита на основе функциональной керамики и полиэтиленовой пленки с целью стабилизации температуры парников и теплиц в зависимости от температуры окружающей среды.
Показано, что трехслойные композитные полиэтиленовые пленки с содержанием функциональной керамики в 1.0 и 1.5 масс. % обеспечивают ночью положительные температуры 3-5оС при отрицательной температуре -(7-10)оС окружающей среды без дополнительного отопления.
Сравнительные наблюдения в апрели и мая месяцев 2015 г. показали, что скорость роста рассады под композитными пленками почти в два раза больше чем под штатным стеклом. Стебли и листья каждой рассады были крупными и крепкими. Период цветения сократился в 1.3 раза. Число цветков на каждом ярусе было не меньше 5-8 вместо 2-5 под стеклом. Ночью под композитной пленкой температура была выше в среднем на 6-10оС, чем наружная.
Наилучший нагрев в дневное время при низкой температуре окружающей среды - нижний слой композит с содержанием функциональной керамики 0,5-1,0% мас., верхний слой - обычная пленка. Наихудший - два слоя по-
крытия из композита с содержанием функциональной керамики 2,5% мас.
Наилучшее сохранение температуры в ночное время при низкой температуре окружающей среды - два слоя покрытия из композита с содержанием функциональной керамики 2,0%.
Все исследованные трехслойные пленочно-керамические композиты оказались эффективнее по использованию солнечной энергии на 14-25 масс %, относительно варианта применения штатного стекла и на 10-15% по сравнению с турецкой трехслойной полиэтиленовой пленкой с защитой от УФ фотодеструкции.
Список литературы:
1. Rachimov Rustam Ch., Mechanismus zur Erzeugung von Infrerotimpulsen mit funktionalen Keramiken. Фрайбергские исследовательские папки. Журнал Горной Академии. Freiberger Forschungshefte, 2014, март, C. 1-13.
2. Рахимов Р.Х. Принципы разработки материалов с комплексом заданных свойств при синтезе на БСП. Материалы конференции посвященные 90 летию С.А. Азимова. Ташкент, 2004, С. 176-178.
3. Rachimov, R.C.; Ermakov, V.P.; John, P.; Rachimov, M.R. Anwendung funktioneller keramiken fur technologien des trocknens mit impuls-infrarot. Фрайбергские исследова- тельские папки. Журнал Горной Академии. Freiberger Forschungshefte, Опубликовано 02.06.2014, C. 1-44.
4. Rustam K. Rakhimov, Elena V. Kim Патент США № 5,472,720 дата регистрации 5.12.1995. Treatment of materials with infrared radiation.
5. Ермаков В.П., Исмоилов2 К., Рахимов1 М.Р., Ха-тамов2 С.О., Юлдашев Н.Х.. Композитная полиэтиленовая пленка с активными керамическими микровключениями для стабилизации температур теплиц и парников. Фундаментальные и прикладные вопросы физики сборник тезисов докладов международной конференции, с. 387-3915 - 6 ноября Ташкент-2015
