CC BY
12
УДК 67.02; 681.1:006
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБКИХ НАКЛАДНЫХ ДАТЧИКОВ ТЕПЛОСЧЕТЧИКА
Антон Владимирович Владимиров
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры фотоники и приборостроения, тел. (923)241-27-32, е-mail: pavlovich.vladimir2012@yandex.ru
Анна Дмитриевна Зонова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры специальных устройств, инноватики и метрологии; Филиал «Тепловые сети» АО «СИБЭКО», 630007, Россия, г. Новосибирск, ул. Серебренниковская, 4, инженер 1 кат., тел. (913)782-60-87, е-mail: annet_zonova@mail.ru
В статье представлен обзор литературных источников, посвященных анализу полимерных материалов с теплоизоляционными свойствами. Подробно рассмотрены характеристики и технологические приемы получения полимеров. Проведён сравнительный анализ характеристик теплоизоляционных материалов. Представлены зависимости свойств полимеров от температуры. Рассмотрена возможность применения материалов в теплоэнергетике с целью повышения точности и оперативности измерения фактических значений количества теплоты, выделяемой в системах отопления любым теплоносителем.
Ключевые слова: теплосчетчик на основе накладных датчиков, композиционные материалы, полимеры, свойства, теплоизоляционный материал, деформация, модуль упругости, метод изготовления, пропитки.
COMPARATIVE ANALYSIS OF POLYMER MATERIALS
FOR MANUFACTURING OF FLEXIBLE SENSORS HEAT EXCHANGER
Anton V. Vladimirov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Graduate, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (923)241-27-32, е-mail: pavlovich.vladimir2012@yandex.ru
Anna D. Zonova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Special-purpose Devices, Innovatics and Metrology; Branch «Thermal networks» of JSC «SIBEKO», 4, Serebrennikovskaya St., Novosibirsk, 630007, Russia, 1 cat. Engineer, phone: (913)782-60-87, e-mail: annet_zonova@mail.ru
The article presents an overview of the literature sources devoted to the analysis of polymer materials with heat-insulating properties. Details and techniques for obtaining polymers are considered in detail. The comparative analysis of the characteristics of heat-insulating materials is carried out. Dependences of polymer properties on temperature are presented. The possibility of using materials in heat power engineering with the purpose of increasing the accuracy and efficiency of measuring the actual values of the amount of heat released in heating systems by any coolant.
Key words: heat meter based on overhead sensors, composite materials, polymers, properties, thermal insulation material, deformation, modulus of elasticity, manufacturing method, impregnation.
Актуальность темы исследования обусловлена тем, что для плоских накладных датчиков основными источниками погрешности является тепловой поток от нагретой поверхности объекта в окружающую среду, что приводит к падению температуры на контактном тепловом сопротивлении между поверхностью объекта и чувствительным элементом датчика. Поэтому конструкция датчиков должна предусматривать теплоизоляцию внешней его поверхности, обеспечивающей минимизацию теплового потока и защиту от колебаний температуры внешней среды, и максимально возможное уменьшение теплового сопротивления защитного слоя на контактной поверхности датчика.
В связи с этим целью и задачами исследования является анализ характеристик и выбор на его основании полимерных материалов, которые могут быть использованы в качестве теплоизоляционных материалов при изготовлении гибких накладных датчиков теплосчётчика.
В работе представлен литературный обзор и использованы методы теории теплообмена и теплопроводности, теоретической и прикладной метрологии.
Введение
В неразрушающем теплометрическом методе, предложенном в работе [1], использовались новые типы измерителей, разработанные специально для определения тепловыделения на поверхности трубопроводов отопительной системы, а именно, накладные термоэлектрические датчики разности температуры и теплового потока [2]. Данный метод предусматривает определение расхода теплоносителя и тепловой мощности, выделяемой отопительными приборами, путём измерений плотности теплового потока и разности температуры [3].
Для реализации метода применяют гибкие цилиндрические датчики теплового потока и температуры с дифференциальными медь-константановыми термопарами. В работе [1] указывается, что датчик теплового потока необходимо изготавливать из материала с постоянным термическим сопротивлением, например, из резиновой пластинки прямоугольной формы с определённым коэффициентом теплопроводности. Дифференциальные датчики температуры должны быть изготовлены из спаев дифференциальных медь-константановых термопар, которые припаивают на подложку из фольгированного стеклотекстолита. Ширина данных пластинок должна соответствовать внешнему диаметру трубопровода отопительной системы.
Чтобы достоверно определить плотность д теплового потока и разность температуры At, необходимо знать коэффициент преобразования К датчика теплового потока, длину Ь расходомерного участка и чувствительность £ датчиков. Для этого с целью определения тепловыделения (разности температуры) на поверхности трубопроводов отопительной системы рекомендуется применять гибкие цилиндрические датчики, которые необходимо изолировать от влияния окружающей среды теплоизоляционным материалом.
В результате литературного обзора различных композиционных материалов и их свойств в работе предлагается рассмотреть полимеры, которые могут
быть использованы в качестве теплоизоляционных материалов при изготовлении гибких датчиков теплового потока и температуры для неразрушающего метода измерений параметров теплоносителя [1, 4, 5].
Сравнительный анализ полимерных теплоизоляционных материалов
Асботекстолит представляют собой слоистые листовые прессованные материалы, состоящие из нескольких слоёв хлопчатобумажной или асбестовой ткани, пропитанной термореактивной феноло-, крезоло-, ксиленоальдегидной смолой или смолой из смеси фенольного сырья. Имеет более высокую теплостойкость, чем текстолит, и отличается хорошими фрикционными свойствами [6-8].
В обычном состоянии асботекстолит нетоксичен. При обработке возможно образование пыли, которая оказывает вредное воздействие на организм человека. Относится к трудногорючим материалам, температура самовоспламенения более 500 °С.
Асботекстолит бывает трёх марок - А, Б, Г (табл. 1). Предназначен для изготовления тормозных и иных фрикционных устройств, прокладок, деталей механического сцепления и других технических деталей, работающих при повышенных температурах, а также в качестве теплоизоляционного материала.
Таблица 1
Технические характеристики асботекстолитов
Наименование показателя Значения марок
Марка А Марка Б
Изгибающее напряжение при разрушении, МПа, не менее 108 90
Ударная вязкость по Шарпи на образцах без надреза, кДж/м2, не менее 29 26
Водопоглощение, %, не более 2,0 2,0
Рабочая температура, °С от -40 до 130 от -40 до 130
Детали из асботекстолита применяются в авиационной и ракетной технике для внешней и внутренней теплозащиты. Изделия из асботекстолита могут длительное время использоваться при температурах до 200 °С, непродолжительное время - до 250 °С - 500 °С и кратковременно - до 1800 °С.
Новый и один из наиболее интересных классов высокопрочных и высокомодульных волокон на основе гетероциклических полиариленов - РБ7-волокна. Эти материалы отличаются уникальными свойствами, а именно, модуль упругости более 300 ГПа, прочность 3,0-3,5 ГПа и высокая для органических волокон термостабильность. Волокна композиционных материалов были
разработаны в США для создания современных аэрокосмических конструкций, работающих в экстремальных условиях [9, 10].
Как и в случае термотропных жидкокристаллических полиэфирных волокон, для РБ7-волокон ответственной стадией в процессе их изготовления является термообработка, которая позволяет увеличить их модуль упругости от 165 до 317 ГПа, а прочность при растяжении - от 3,0 до 4,9 ГПа.
В табл. 2 приведены показатели РБ7- и ПБТ-нитей.
Таблица 2
Свойства РБ7- и ПБТ-нитей
Свойство Значения марок нитей
РБ20 РБ2Т ПБТ
Прочность нити, ГПа: - комплексной - элементарной 4,1-5,5 5,7-5,8 3,0-3,5 2,8-4,1 2,3-2,5 2,8-3,21
Удлинение комплексной нити при разрыве, % 1,6-1,7 1,0-1,8 1,5-2,0
Модуль упругости, ГПа 267-360 280-385 280-320
Предельный модуль упругости, ГПа 630-690 614 -
Теплостойкость нити, % сохранения прочности при температуре 300 °С 400 °С 500 °С - Устойчива до 375 °С на воздухе 80 70 50
Термостабильность нити, % сохранение прочности после эксплуатации в условиях 200 °С, 200 ч 300 °С, 100 ч 400 °С, 10 ч 73 75 85 80 50
Из таблицы видно, что прочность ПБТ-нитей пока ниже, чем у зарубежных аналогов, однако их модуль упругости практически одинаков. Показатели тепло- и термостабильности ПБТ-волокон также находятся на уровне с зарубежными РБ7-волокнами. Столь высокие характеристики РБ7-волокон (по прочности до 4,5 ГПа, а по модулю упругости до 400 ГПа) ставят эти их в один ряд с углеродными (при меньшей плотности), что обеспечит этому классу волокон большое будущее.
Заслуживает внимание еще один тип волокон, перспективных для изготовления ПКМ. Это суперпрочные, высокомодульные полиимидные волокна, разработкой которых занимается Институт высокомолекулярных соединений (ИВС РАН). Волокна имеют марку ИВСАН (табл. 3).
Таблица 3
Свойства полиимидных волокон ИВСАН
Свойство Значения марок волокон
ИВСАН-87 ИВСАН-89 ИВСАН-90
Плотность, кг/м3 1,45 1,50 1,52
Прочность при растяжении, ГПа, при
20 °С 1,7 3,2 5,1
200 °С 1,3 2,5 4,3
400 °С 0,8 2,2 2,8
Модуль упругости акустической, ГПа, при
20 °С 30 225 292
200 °С 22 170 250
400 °С 15 90 120
Удлинение волокна при разрыве, % 10 3-4 3-5
Теплостойкость (при потере 5 % массы), °С 550 570 580
Проволоки из вольфрама и молибдена. Хорошие прочностные свойства тугоплавких металлов при высоких температурах обусловили их применение в качестве армирующих элементов при создании жаропрочных КМ. Проволоки из вольфрама, молибдена и их сплавов выпускаются промышленностью в больших количествах, поэтому этот вид арматуры наиболее изучен и широко используется в КМ высокотемпературного назначения [11, 12].
Производство тугоплавких металлических проволок стало развиваться в связи с нуждами электровакуумной техники, но вольфрам и молибден электротехнического назначения имеют недостаточно высокие прочностные характеристики. Металлургия высокопрочных вольфрамовых и молибденовых проволок, специально предназначенных для армирования металлов и керамики, получила развитие совсем недавно.
В настоящее время проволоки изготовляют, чаще всего, методами порошковой металлургии. Эти методы позволяют вводить в металл разнообразные присадки для повышения прочностных характеристик проволок, увеличения их технологичности и придания специальных свойств.
Композиционные материалы с никелевой матрицей используются в качестве жаропрочных. При этом главная задача их создания - повышение рабочей температуры до 1000 °С - 1200 °С. В качестве наполнителя могут быть использованы как мелкодисперсные порошки, так и волокна [11-14].
Гетинакс (англ. paper-based laminate). Электроизоляционный слоистый прессованный материал, изготовленный из нескольких слоев бумаги, пропитанной фенолоформальдегидной или эпоксидной смолой [15, 16]. Материал не токсичный, не взрывоопасный, горючий. Можно длительно эксплуатировать при рабочей температуре от -65 °С до 120 °С.
Легко поддается механической обработке (сверление, фрезерование, распиловка, штамповка в нагретом состоянии). Обладает высокими диэлектриче-
скими свойствами. Электрическая дуга быстро его обугливает, и он становится токопроводящим. Электроизоляционные свойства материала сильно зависят от влажности и температуры окружающей среды.
Результаты сравнительного анализа
По проведённому анализу рассмотренных в статье полимерных материалов и их свойств (табл. 4) были построены графики зависимости деформации (е, %) от температуры (рисунок).
Таблица 4
Сравнительные значения деформации материалов от температуры
Асботекстолит РБ2-нить ПБТ-нить ИВСАН Генитакс
Т(°С) е(%) Т(°С) е(%) Т(°С) е(%) Т(°С) е(%) Т(°С) е(%)
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
50 0 50 0 50 0 50 0 50 0
100 0 100 0 100 0 100 0 100 0
150 0 150 0 150 0 150 10 150 10
200 10 200 0 200 0 200 50 200 50
250 50 250 0 250 0 250 80 250 80
300 80 300 0 300 10 300 100 300 100
350 100 350 0 350 50
400 10 400 80
450 50 450 100
500 80
550 100
Т(°С)
График зависимости деформации материала от температуры: е - деформация, %; Т - температура, °С
Полученные зависимости показывают, что процесс деформации быстрее всего начинается у волокон ИВСАН и гетинакс. Эти материалы достаточно эластичны и их возможно использовать в качестве теплоизоляционных материалов накладных датчиков. Кроме этого, на графике видно, что трудно деформируемыми теплоизоляционными материалами по проведённому анализу являются PBZ- и ПБТ-нити. Структура органических волокон данных материалов обладает уникальными свойствами, что позволяет их использовать в аэрокосмической сфере деятельности.
Однако изменение структуры рассмотренных полимеров и добавления в них разнообразных присадок позволит получить легко деформируемые материалы для применения их в теплоэнергетической сфере для повышения точности и оперативности измерения фактических значений количества теплоты, выделяемой в системах отопления любым теплоносителем, что является первоочередной задачей дальнейших исследований.
Заключение
Таким образом, проведённый анализ полимерных материалов позволит в дальнейшем усовершенствовать конструкцию теплосчётчика с накладными датчиками и использовать его в качестве измерительного прибора для диагностики исправности отопительных приборов и систем при решении многих задач теплоэнергетики.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Зонова А. Д. Разработка и исследование теплометрических методов и средств нераз-рушающих измерений параметров теплоносителя в системах теплоснабжения: дис. ... канд. техн. наук / Зонова Анна Дмитриевна. - Новосибирск, 2013. - 122 с.
2. Зонова А. Д., Черепанов В. Я. Исследование неразрушающего метода измерений тепловой мощности отопительных приборов // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск : СГГА, 2010. Т. 5, ч. 2. - С. 124-129.
3. Пат. 2631007 Российская Федерация, МПК51 G01K 17/10, G01F 1/68. Теплосчетчик на основе накладных датчиков / А. Д. Зонова, В. Я. Черепанов; патентообладатели Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» (СГУГиТ), Федеральное государственное унитарное предприятие «Сибирский государственный ордена Трудового красного знамени научно-исследовательский институт метрологии» (ФГУП «СНИИМ»). -2016127338; заявл. 06.07.2016; опубл. 15.09.2017. - Бюл. № 26. - 10 с.: ил.
4. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для вузов, допущено УМО / В. Б. Арзамасов [и др.]; под ред. В. Б. Арзамасов, А. А. Черепахина. -3-е изд., стер. - М.: Академия, 2011. - 446 с.
5. Слесарчук В. А. Материаловедение и технология материалов : учеб. пособие. -РИПО, 2015. - 392 с.
6. ГОСТ Р 50583-93 ГСИ. Материалы композиционные полимерные: нац. стандарт РФ. -Введ. 16.07.1993. - М.: Изд-во стандартов, 1993. - 8 с.
7. Deborah D. L. Chung. Composite Materials // Springer Science & Business Media. -2010. - 371 p.
8. Kamal K. Kar. Composite Materials // Springer. - 2016. - 686 p.
9. Хохлов А. Р., Говорун Е. Н. Композиты с полимерной матрицей // Словарь нанотех-нологических и связанных с нанотехнологиями терминов. - Электрон. дан. - 2016. - Режим доступа: http://thesaurus.rusnano.com/ - Загл. с экрана.
10. Капитонов, А. М., Редькин, В. Е. Физико-механические свойства композиционных материалов: упругие свойства: монография. - Красноярск: СФУ, 2013. - 532 с.
11. ГОСТ Р 56656-2015 ГСИ. Композиты металлические. Метод определения характеристик прочности при растяжении армированных волокнами композитов с металлической матрицей: нац. стандарт РФ. - Введ. 201.10.2015. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2001. - 18 с.
12. Владимиров А. В. Изготовление и определение свойств композиционных материалов с различными матрицами // LXIV студенческая научная конференция СГУГиТ, 4-9 апреля 2016 года: сб. тезисов докладов. - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - С. 151-153.
13. Hybrid Polymer Composite Materials / Vijay Kumar, Thakur Manju Kumari, Thakur Asokan Pappu // Woodhead Publishing. - 1st ed. - 2017. - 390 p.
14. Campbell, F. C. Structural Composite Materials // ASM International. - 2010. - 630 p.
15. Владимиров А. В., Зонова А. Д. Метод пропитки композиционных материалов с металлической и полимерной матрицами // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Магистерская научная сессия «Первые шаги в науке» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 2. - С. 130-135.
16. Баев В. С., Виноградов А. Б., Чемерис М. С. Физико-химические основы создания композиционных строительных материалов : монография. - Ч. 1. - ИЦ НГАУ «Золотой колос», 2016. - 244 с.
© А. В. Владимиров, А. Д. Зонова, 2018
