CC BY
26
Применение активных полимерных материалов
в технических средствах и материалах для предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций
Вертячих И. М., Суторъма И. И., Волков Ю. А., Жукалов В. И.,
Гомельский инженерный институт МЧС Республики Беларусь,
г. Гомель
Повысить эффект от применения полимерных материалов в различных технических средствах и материалах для предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций можно путем их активирования — формирования в них заряда электрета или генерирования в них в определенных условиях электрический ток. Электреты - это диэлектрики, способные длительное время находиться в наэлектризованном состоянии после снятия внешнего воздействия, вызвавшего электризацию [1].
Формирование заряда электрета в полимерных материалах сопровождается перестройкой физико-химической структуры и характеристик полимеров, что позволяет регулировать их физико-механические и физико-химические характеристики методами поляризации [1,2-5]. Это оказывает существенное влияние на работоспособность узлов и агрегатов аварийно-спасательной техники и специальных материалов, применяемых для предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций и их последствий.
Области возможного применения электрически поляризованных полимерных материалов (электретов) в пожарной аварийно-спасательной технике (ПАСТ) и средствах предупреждения и ликвидации ЧС могут быть следующими: 1. Конструктивные элементы ПАСТ; 2. Средства индивидуальной защиты органов дыхания; 3. Средства для предупреждения и ликвидации ЧС.
1. Применение конструкционных полимерных композитов в пожарной автоцистерне обусловлено необходимостью, во-первых, заменить в конструктивных элементах автоцистерны детали и узлы, подверженные коррозионному воздействию и механическому изнашиванию и, во-вторых, стремление снизить вес самой автоцистерны, чтобы улучшит ее тягово-динамические характеристики. Например, пожарные автоцистерны АЦ 5-40(МАЗ-533702) и АЦ 8,0-50/4 (МАЗ-631708), имеют пожарные надстройки, выполненные из стеклопластика, что обеспечивает: уменьшение веса, отсутствие коррозии и легкость ремонта в случае повреждения. Цилиндрическая цистерна емкостью 2200 л из стеклопластика в 4 — 4,5 раза легче стальной и не подвергается коррозии. В промышленности развитых странах до 67 % всех пластмассовых баков, применяемых авто-цистенах, изготавливают из полиамидных композиций.
Эффективной мерой повышения эксплуатационных характеристик деталей и узлов водопенных коммуникаций пожарных автоцистерн является нанесение на их поверхности полимерного покрытия. Покрытия формируют на основе по-
рошковых композиций полиолефинового типа, пентапласта, полиамидов, суспензий фторопластов, которые обладают высокими антикоррозионными, физико-механическими, электроизоляционными свойствами, химической, тепло- и морозостойкостью [6].
Эксплуатационные характеристики конструкционных полимерных композитов, как и полимерных покрытий, можно повышать путем их активации — поляризации. Так прочность композита с наполнителем в виде ткани или нитей из минерального или синтетического материала с нанесенными на них покрытиями из разнородных металлов с разностью стандартных электродных потенциалов 0,4 - 2,0 В, выдержке в процессе формования композита в изделие до затвердевания между электрически замкнутыми формующими поверхностями, в 1,5 - 2,0 выше, чем у неполяризованного полимерного композита [7].
Поляризации материала покрытия способствует снижению сорбции и диффузии жидких и газообразных сред в полимерный материал, повышению прочности адгезионных соединений полимер-металл, полимер-наполнитель [8-10].
Методы поляризации полимерного связующего основаны на контакте с наполнителем-электретом в процессе термообработки материала покрытия [11] и на получения короноэлектрета, основанного на инжекции электронов и ионов к поляризуемой поверхности полимерного покрытия.
Чистота водопроводящих каналов рабочего колеса оказывает большое влияние на величину гидравлических потерь. Основной причиной снижения КПД пожарного насоса в процессе эксплуатации является коррозия поверхностей его проточной части. Данные о влиянии качества поверхностей проточной части насоса свидетельствуют о том, что:
• после окраски чугунного корпуса, имеющего шероховатую поверхность, дисковое трение уменьшилось на 16-20 %;
• в результате полирования диска потери уменьшаются на 13-20 %;
• при сильно заржавленных чугунных дисках потери мощности на 30 % больше, чем в случае, если диски заново обточены;
• уменьшение шероховатости каналов рабочих колес с /(г)2 - V-3 до гт 4 - т = п - г% 5 класса без каких-либо конструктивных изменений приводит к повышению КПД на 3-4 % [12,13].
За счет применения защитных полимерных покрытий срок службы деталей проточной части насосов может быть увеличен на 25—30 %.
Поляризации полимерного покрытия оказывает заметное влияние на дисковое трение рабочего колеса насоса в водном растворе пенообразователя. Результаты испытаний образцов в виде дисков с полимерным покрытием, вращающихся в воде, показали, что время до полной их остановки почти на 20 % больше времени до полной остановки дисков без покрытия. У дисков с покрытием, обработанным в поле коронного разряда, времени до полной остановки больше на 24 %. Следовательно, подвергнув активации полимерное покрытие рабочего колеса центробежного насоса или полимерный материал в целом при изготовлении рабочего колеса целиком из полимерного композита, можно по-
высить общий КПД насоса в среднем еще на 4-5 % [14].
2. В настоящее время разработаны и поступают на вооружение спасателей АСВ, укомплектованные баллонами IV типа - полнокомпозитными. Основными элементами баллонов данного типа являются: полимерный лейнер, силовая оболочка из композиционного полимерного материала, армированного нитями из стеклянных, синтетических или углеродных волокон с высокой прочностью и средним уровнем модуля упругости, закладной элемент для крепления вентиля.
2. Одним из основных направлений ведущейся работы по повышению эргономических показателей аппарата со сжатым воздухом (далее — АСВ), составляющих основную массу дыхательного аппарата, является снижение веса баллонов.
Полнокомпозитные баллоны, по сравнению с цельнометаллическими, обладают рядом преимуществ: в 1,5 - 2,0 и в 2,0 — 5,5 раза меньшим весом, чем металлокомпозитные и цельнометаллические баллоны; обладают большей безопасностью; применение полимерных лейнеров позволяет исключить вероятность внутренней коррозии, и потерю ими герметичности [15].
Главным недостатком любого полнокомпозитного баллона в сравнении с цельнометаллическим баллоном является меньшая стойкость первого к ударным нагрузкам.
Армирующими материалами наружной силовой оболочки полнокомпозитных баллонов чаще являются высокопрочные стеклянные, углеродные, органические, борные волокна в виде моноволокон, нитей, проволок, жгутов, сеток, тканей и др. В качестве матрицы используются отвержденные эпоксидные, полиэфирные и некоторые другие термореактивные смолы [16-19].
Эксплуатационная практика как металлокомпозитных, так и полнокомпозитных баллонов показала, что для изготовления силовой оболочки баллонов наиболее целесообразно использовать органо- или углепластики.
В ГИИ МЧС Республики Беларусь разработан полимерный композиционный материал повышенной прочности. В основу положено разработки положены физико-химические процессы, протекающих при нагревании полимера между электрически замкнутыми обкладками из разнородных металлов - М1 -М2, в частности, способности полимерных материалов приобретать устойчивый объемный электрический заряд, приводящий увеличение прочности полимерных композитов с [9].
Технология получения такого материала, позволяет применять ее для изготовления как металлокомпозитных, так полнокомпозитных баллонов с высокими техническими и коммерческими характеристиками.
3. Средства для предупреждения и ликвидации ЧС (активные термочувствительным датчики — источники электрического сигнала в аналоговом тепловом пожарном извещателе).
В ГИИ МЧС Республики Беларусь разработаны термочувствительные элементы для аналогового пожарного извещателя на основе активного полимерного материала. В качестве активного полимерного материала для термочувствительного элемента предлагается применить полимерную пленку-электрет.
Функционирование данного элемента основано на появлении разрядного
термостимулированного тока (ТСТ) [2,8] (патент РБ на изобретение № 14161). При повышении температуры в охраняемом помещении конвективное тепло воспринимается теплоприемником и передается на термочувствительный элемент, выполненный в виде полимерной пленки-электрета. Это приводит к появлению ТСТ в электрической цепи «пленка-электрет - электроды, контактные выводы, провода, промежуточный исполнительный орган». В случае прекращения дальнейшего повышения температуры в помещении температура элек-третного термочувствительного элемента падает, течение ТСТ прекращается. Если температура в помещении продолжает расти, растет ТСТ, продолжая поступать в промежуточный исполнительный орган и далее на станцию пожарной сигнализации.
Следующий тип термочувствительного элемента основан на генерировании термо-ЭДС при повышении температуры в защищаемом помещении. Известно возникновение ТСТ при нагревании полимерной прослойки, расположенной между короткозамкнутыми электродами из разнородных металлов [8] и повышении электропроводности диэлектриков, в т. ч. полимеров при их пластифицировании [20,21] или допировании (Допирование — это процесс придания полимерам свойств электропроводности) [22].
Термочувствительным элементом аналогового теплового пожарного изве-щателя служит допированная полимерная пленка, содержащая пластификатор и допанат, с нанесенными на обе ее поверхности методом напыления в вакууме слоями из разнородных металлов (А1 и Си), из которых один электрод является теплоприемником. При нагревании такой пленки вследствие разности электродных потенциалов генерируется термо-ЭДС, которая приводит к протеканию в цепи ТСТ [10], сигнализируя о процессе повышения температуры в помещении.
Библиографический список
1. Большой энциклопедический словарь. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: «Большая Российская энциклопедия»; СПб: «Норинт», 1997. - 1456 с.: ил.
2. Лущейкин Г. А. Полимерные электреты. 2-е изд. Перераб. и доп. М. 1984.
3. Сажин Б. И. Электрические свойства полимеров. 2-е изд., пер. Л., 1977.
4. Губкин А. Н. Электреты. - М.: Наука, 1978. - 192 с.
5. Климович А. Ф., Миронов В. С. // Трение и износ. 1981. Т. 2, № 4. С. 713-718.
6. Материаловедение: учебник / В. А. Струк [и др.]. - Минск: ИВЦ М34 Минфина, 2008. - 519 с.
7. Белый В. А., Вертячих И. М., Пинчук Л. С., Воронежцев Ю. И., Голь-даде В. А. Прочность полимерных композитов, сформированных в контакте с металлами // ДАН СССР, 1984, т.275, № 3, с. 639-641.
8. Гольдаде В. А., Пинчук Л. С. Электретные пластмассы: физика и материаловедение / под ред. В. А. Белого. - Мн.: Наука и техника, 1987. - 231 с.
9. Вертячих И. М., Гольдаде В. А., Неверов А. С., Пинчук Л. С. Влияние электрического поля полимерного электрета на сорбцию паров органического растворителя // Высокомолекулярные соединения, 1982, № 9, т.24Б, с. 683-687.
10. Вертячих И. М., Воронежцев Ю. И., Гольдаде В. А., Пинчук Л. С. Свойства полимерных электретов, сформированных в контакте с разнородными металлами // Пластические массы, № 3, 1986, с. 30-32.
11. Белый В. А., Вертячих И. М., Пинчук Л. С., Воронежцев Ю. И., Гольдаде В. А. Электрическая поляризация в контакте с электретами // Докл. АН СССР. - 1988. — Т.302, № 1. - с.119 - 122.
12. Степанов А. И. Центробежные и осевые насосы. — М.: Издательство машиностроительной литературы, 1960.
13. Михайлов А. К., Малюшенко В. В. Конструкции и расчет центробежных насосов высокого давления. — М.: Машиностроение, 1971 — 304 с.
14. Вертячих И. М. Снижение гидравлических и дисковых потерь пожарных центробежных насосов // Чрезвычайные ситуации: образование и наука, 2008, Т.3, № 1, с.31-35.
15. Осадчий Я. Г., Трошин В. П. R К вопросу безосколочного разрушения металлокомпозитных баллонов высокого давления// Пожарная безопасность в строительстве. - 2009, № 3, с.62-64.
16. Васильев В., Барынин В., Бунаков В., Марцыновский В., Разин А. Композиты - материалы XXI века // Сумма технологий. — 2003.
17. Берлин А. А., Пахомова Л. К. Полимерные матрицы для высокопрочных армированных композитов (обзор) // высокомолекулярные соединения. -1990. - Т. (А) 32, № 7. - С. 101-107.
18. Осадчий Я. Г., Трошин В. П. Новые направления совершенствования металлокомпозитных баллонов высокого давления // Пожарная безопасность в строительстве. 2009, № 4, с.68-70.
19. Пинчук Л. С., Гольдаде В. А. Электретные материалы в машиностроении. -Гомель: Инфотрибо, 1998 - 288.
20. Низкомолекулярная добавка - Технический словарь. Том II — Microsoft Internet Explorer.
21. Пластификатор — Технический словарь Том VII — Microsoft Internet Explorer.
22. А. Н. Лачинов, М. Г. Золотухин. Нетрадиционный механизм допирования в полиариленфторидах. Письма в ЖТЭФ, т.53, вып.6, с. 297 - 391, 25.03.1991г.
