Помощь студентам в учебе
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ НА НИЗКИХ ЧАСТОТАХ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР
|
Введение 3
I Характеристики диэлектриков в переменном поле 6
1.1 Общие сведения о диэлектриках 6
1.2 Комплексная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла
диэлектрических потерь 12
II Экспериментальное исследование характеристик композитных материалов 19
2.1 Разработка экспериментальной установки 19
2.2 Экспериментальное определение комплексной диэлектрической проницаемости веществ 29
Заключение 47
Список литературы 49
Приложения
I Характеристики диэлектриков в переменном поле 6
1.1 Общие сведения о диэлектриках 6
1.2 Комплексная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла
диэлектрических потерь 12
II Экспериментальное исследование характеристик композитных материалов 19
2.1 Разработка экспериментальной установки 19
2.2 Экспериментальное определение комплексной диэлектрической проницаемости веществ 29
Заключение 47
Список литературы 49
Приложения
Листовые полимерные и композитные материалы широко применяются в качестве конструкционных в современной технике. Их используют, в том числе, в деталях, подвергающихся высоким механическим и термическим нагрузкам. Это требует разработки методов измерения физических характеристик таких материалов[1, 2].
Широкое распространение получили полимерные и композитные материалы, изготовленные из растительного сырья. Это направление интересно потенциальной возможностью использования в качестве сырья отходов лесоперерабатывающей промышленности. Проблема утилизации растительных отходов является весьма острой. Крупнотоннажные отходы растительного происхождения — щепа, опилки и стружка до сих пор являются, особенно в России, неликвидным побочным продуктом [3, 4]. Ограничен круг технологий, позволяющих эффективно и с положительным экономическим эффектом утилизировать древесные отходы [4]. Одним из направлений использования растительных остатков является производство композиционных материалов — древесноволокнистых и древесностружечных плит (ДВП, ДСП), применяемых в строительстве и мебельной промышленности [5, 6]. Однако эти материалы обладают рядом недостатков: для связывания волокон и частиц используются синтетические термореактивные смолы, оказывающие неблагоприятное воздействие на окружающую среду и человека как в процессе производства, так и при дальнейшей эксплуатации [7]; синтетические связующие очень дороги — их стоимость составляет большую часть стоимости готового изделия.
В настоящее время существуют способы получения плитных композиционных материалов из отходов древесины без использования вводимых извне связующих веществ, что значительно удешевляет их получение и придает им улучшенные технические характеристики [8]. Основой этого способа является глубокая физико-химическая модификация лигноуглеводного комплекса перегретым водяным паром с добавлением гидролизующих реагентов с последующим прессованием горячего композита. Чтобы достичь высоких качественных показателей плитных материалов и снизить затраты на их производство, необходимо выявить закономерности процессов, происходящих в древесине при баротермическом воздействии и прессовании, при варьировании условий получения — температурой и временем обаротермической обработки, температурой и давлением прессования [9].
При горячем прессовании гидролизованной древесной массы после достижения определенной температуры (температуры стеклования) начинает происходить реакция с участием альдегидных групп редуцирующих веществ с образованием легколетучих соединений. Образуются нерастворимые в воде смолоподобные соединения, выполняющие роль связующих веществ в образующемся материале. При понижении температуры аморфные вещества переходят в стеклообразное состояние.
Динамическим механическим анализом (ДМА) обнаружено линейное снижение температуры стеклования аморфной части композиционного материала с ростом содержания катализатора на начальной стадии гидролиза по отношение к исходному композитному веществу. Таким образом подобные исследования позволяют определить температуру стеклования аморфной части композитных материалов и соответственно определить величину на которую можно уменьшить температуру при прессовании композитов и тем самым снизить затраты на производство [9].
ДМА метод позволяет исследовать зависимость тангенса угла механических потерь и динамический модуль сдвига от температуры на частотах порядка 1 Герц. По максимумам зависимостей можно определить температуру, при которой происходит стеклование композитного материала при термообработке. Однако установка, позволяющая производить измерения методом ДМА, сложна в изготовлении. Это делает актуальным поиск более простого метода определения температуры стеклования аморфной части композиционного материала. Те же физические процессы отражаются на зависимости комплексной диэлектрической проницаемости от температуры. На фиксированной частоте с повышением температуры будет наблюдаться увеличение тангенса угла диэлектрических потерь материала. Данный рост будет продолжаться до тех пор, пока частота электромагнитных колебаний не достигнет частоты теплового колебания молекул. При равенстве частот возникает резонанс и соответственно будет наблюдаться максимум потерь. Значение температуры, при котором наблюдается максимум тангенса диэлектрических потерь, и будет температурой стеклования аморфной части композитного материала. Таким образом можно разработать установку, которая позволит нам измерять комплексную диэлектрическую проницаемость на низких частотах.
В данной работе в первой главе приведены краткие сведения о ди-электриках. При помощи эквивалентных схем конденсатора теоретически рассмотрена зависимость комплексной диэлектрической проницаемости ди-электрика от частоты. Во второй главе рассмотрены технические аспекты измерения диэлектрической проницаемости и разработана своя методика эксперимента. В третьей главе экспериментально исследована зависимость комплексной диэлектрической проницаемости от температуры на нескольких частотах для некоторых композитных материалов.
Широкое распространение получили полимерные и композитные материалы, изготовленные из растительного сырья. Это направление интересно потенциальной возможностью использования в качестве сырья отходов лесоперерабатывающей промышленности. Проблема утилизации растительных отходов является весьма острой. Крупнотоннажные отходы растительного происхождения — щепа, опилки и стружка до сих пор являются, особенно в России, неликвидным побочным продуктом [3, 4]. Ограничен круг технологий, позволяющих эффективно и с положительным экономическим эффектом утилизировать древесные отходы [4]. Одним из направлений использования растительных остатков является производство композиционных материалов — древесноволокнистых и древесностружечных плит (ДВП, ДСП), применяемых в строительстве и мебельной промышленности [5, 6]. Однако эти материалы обладают рядом недостатков: для связывания волокон и частиц используются синтетические термореактивные смолы, оказывающие неблагоприятное воздействие на окружающую среду и человека как в процессе производства, так и при дальнейшей эксплуатации [7]; синтетические связующие очень дороги — их стоимость составляет большую часть стоимости готового изделия.
В настоящее время существуют способы получения плитных композиционных материалов из отходов древесины без использования вводимых извне связующих веществ, что значительно удешевляет их получение и придает им улучшенные технические характеристики [8]. Основой этого способа является глубокая физико-химическая модификация лигноуглеводного комплекса перегретым водяным паром с добавлением гидролизующих реагентов с последующим прессованием горячего композита. Чтобы достичь высоких качественных показателей плитных материалов и снизить затраты на их производство, необходимо выявить закономерности процессов, происходящих в древесине при баротермическом воздействии и прессовании, при варьировании условий получения — температурой и временем обаротермической обработки, температурой и давлением прессования [9].
При горячем прессовании гидролизованной древесной массы после достижения определенной температуры (температуры стеклования) начинает происходить реакция с участием альдегидных групп редуцирующих веществ с образованием легколетучих соединений. Образуются нерастворимые в воде смолоподобные соединения, выполняющие роль связующих веществ в образующемся материале. При понижении температуры аморфные вещества переходят в стеклообразное состояние.
Динамическим механическим анализом (ДМА) обнаружено линейное снижение температуры стеклования аморфной части композиционного материала с ростом содержания катализатора на начальной стадии гидролиза по отношение к исходному композитному веществу. Таким образом подобные исследования позволяют определить температуру стеклования аморфной части композитных материалов и соответственно определить величину на которую можно уменьшить температуру при прессовании композитов и тем самым снизить затраты на производство [9].
ДМА метод позволяет исследовать зависимость тангенса угла механических потерь и динамический модуль сдвига от температуры на частотах порядка 1 Герц. По максимумам зависимостей можно определить температуру, при которой происходит стеклование композитного материала при термообработке. Однако установка, позволяющая производить измерения методом ДМА, сложна в изготовлении. Это делает актуальным поиск более простого метода определения температуры стеклования аморфной части композиционного материала. Те же физические процессы отражаются на зависимости комплексной диэлектрической проницаемости от температуры. На фиксированной частоте с повышением температуры будет наблюдаться увеличение тангенса угла диэлектрических потерь материала. Данный рост будет продолжаться до тех пор, пока частота электромагнитных колебаний не достигнет частоты теплового колебания молекул. При равенстве частот возникает резонанс и соответственно будет наблюдаться максимум потерь. Значение температуры, при котором наблюдается максимум тангенса диэлектрических потерь, и будет температурой стеклования аморфной части композитного материала. Таким образом можно разработать установку, которая позволит нам измерять комплексную диэлектрическую проницаемость на низких частотах.
В данной работе в первой главе приведены краткие сведения о ди-электриках. При помощи эквивалентных схем конденсатора теоретически рассмотрена зависимость комплексной диэлектрической проницаемости ди-электрика от частоты. Во второй главе рассмотрены технические аспекты измерения диэлектрической проницаемости и разработана своя методика эксперимента. В третьей главе экспериментально исследована зависимость комплексной диэлектрической проницаемости от температуры на нескольких частотах для некоторых композитных материалов.
В ходе выполнения квалификационной работы теоретически рассмотрены характеристики диэлектриков в переменном поле. Рассмотрены технические аспекты измерения диэлектрической проницаемости, разработана и реализована экспериментальная установка для измерения комплексной диэлектрической проницаемости в диапазоне частот от 20 кГц до 200 кГц и диапазоне температур от 30 °C до 300 °C. Экспериментально исследована зависимость комплексной диэлектрической проницаемости от температуры на частотах 20 кГц, 40 кГц, 80 кГц и 100 кГц для трех образцов композитных материалов органического происхождения и образца древесины березы, из которой были изготовлены исследованные композиты.
Исследования показали, что с помощью емкостного метода возможно определить температуру стеклования листовых композитов материалов с аморфно-кристаллическим строением. Для исходной древесины температура стеклования была определена равной 220C а для термобалита, предварительно подверженному обработке 30% катализатором, фазовый переход аморфной части материала происходит при температуре 145C. Разница составляет 75C. Это означает, что с увеличением концентрации гидролизующих реагентов происходит уменьшение температуры стеклования композитных веществ. Также для исходной древесины установлен температурный диапазон в котором происходит разрушение кристаллической решетки и последующее разложение её на аморфные компоненты. Экспериментальные результаты качественно согласуются с результатами других исследователей [9], использовавших в своей работе метод динамического механического анализа для определения температуры стеклования композитных веществ.
Для более детального изучения физических процесс происходящих при нагревании композитных материалов необходимо совершенствовать экспериментальную установку: уменьшить случайную ошибку измерения комплексной диэлектрической проницаемости и автоматизировать измерительную установку для проведения многократных измерений каждого вида термобалита. Автоматизация установки так же позволит проводить измерения с уменьшением шага по температуре, что в свою очередь позволит определить наиболее точную температуру стеклования.
По полученным результатам можно сделать вывод, что использованный метод подходит для определения температуры стеклования, необходимой для разработки технологических процессов производства композитных материалов из органического сырья.
Исследования показали, что с помощью емкостного метода возможно определить температуру стеклования листовых композитов материалов с аморфно-кристаллическим строением. Для исходной древесины температура стеклования была определена равной 220C а для термобалита, предварительно подверженному обработке 30% катализатором, фазовый переход аморфной части материала происходит при температуре 145C. Разница составляет 75C. Это означает, что с увеличением концентрации гидролизующих реагентов происходит уменьшение температуры стеклования композитных веществ. Также для исходной древесины установлен температурный диапазон в котором происходит разрушение кристаллической решетки и последующее разложение её на аморфные компоненты. Экспериментальные результаты качественно согласуются с результатами других исследователей [9], использовавших в своей работе метод динамического механического анализа для определения температуры стеклования композитных веществ.
Для более детального изучения физических процесс происходящих при нагревании композитных материалов необходимо совершенствовать экспериментальную установку: уменьшить случайную ошибку измерения комплексной диэлектрической проницаемости и автоматизировать измерительную установку для проведения многократных измерений каждого вида термобалита. Автоматизация установки так же позволит проводить измерения с уменьшением шага по температуре, что в свою очередь позволит определить наиболее точную температуру стеклования.
По полученным результатам можно сделать вывод, что использованный метод подходит для определения температуры стеклования, необходимой для разработки технологических процессов производства композитных материалов из органического сырья.