І Г Дейнека - Аналіз теоретичних основ про вивчення впливу агресивних середовищ на матеріали з полімерним покриттям - страница 1

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93 

УДК 677.017.636

Дейнека І.Г.

АНАЛІЗ ТЕОРЕТИЧНИХ ОСНОВ ПРО ВИВЧЕННЯ ВПЛИВУ АГРЕСИВНИХ СЕРЕДОВИЩ НА МАТЕРІАЛИ З ПОЛІМЕРНИМ ПОКРИТТЯМ

На основі проведеного аналізу літератури та власних експеримента­льних досліджень автором статті підтверджується складність деструк­тивних процесів, які впливають на фізико-механічні властивості спеці­альних матеріалів з полімерним покриттям. В роботі наведені форму­ли для розрахунку швидкості гідролізу полімерів в залежності від кон­центрації агресивних середовищ та кінетичних областей його проті­кання. Показано, що критерієм оцінки хімічної стійкості указаних мате­ріалів може бути довговічність. Дж. 4.

Деструкція полімерів в рідких агресивних середовищах (мінеральні кислоти, окислювачі, луги, хлор, аміак тощо) належить до багатостадійних процесів, серед яких найважливішими вважаються їх адсорбція поверхнею зразка, дифузія в його об'єм і хімічна взаємодія з нестійкими зв'язками високомолекулярної сполуки, а також дифузія продуктів деструкції до її поверхні.

Ступінь деструкції залежить від багатьох факторів, але до найбільш значу­щих слід віднести природу полімеру і агресивної рідини, їх реакційну здатність, особливо сірчаної, соляної, азотної кислоти, рідкого хлору і аміаку та інших хіміч­них реагентів. В залежності від реакційної здатності полімерів агресивні рідини розділяються на фізично та хімічно активні, а власне полімери - на гетеро- і кар-боланцюгові. Гетероланцюгові полімери найбільш чутливі до гідролізу завдяки наявності в своїй структурі ацетальних, амідних і ефірних зв'язків. Тому матеріа­ли з указаним полімерним покриттям на текстильній основі, які призначені для виготовлення спеціальних засобів індивідуального захисту (ЗІЗ), наприклад, ізо­лювальних костюмів (ІК), менш хімічно стійкі до впливу мінеральних кислот на­віть низьких концентрацій (целюлоза, колаген, поліамід), а ті, що мають складні ефірні зв'язки (поліетилентерефталат), деструкують в сучасній і азотній кислотах при їх високих концентраціях (82% і 75% відповідно).

Карболанцюгові полімери, до яких слід віднести поліетилен і поліпропілен, практично не гідролізуються в концентрованих мінеральних кислотах і лугах, але їх хімічна стійкість до окислювачів обмежена.

Відносно агресивних середовищ слід зазначити, що власне їх реакційна здатність оцінюється константою дисоціації (Кд), і чим вона більша, тим реактив агресивніший [1]. Так, указані агресивні середовища за силою хімічної активності можна розмістити у такий ряд (в порядку їх зменшення): Cl2>HCl>HNO3>H2SO4>NH3. Константи дисоціації при цьому (окрім рідного хлору) дорівнюють 1,0*107; 44...46; 12 і 5,66*10-10 відповідно. Слід відзначити, що в за­лежності від природи полімерів, агресивних середовищ і характеру їх взаємодії (зворотний при фізично активних та незворотний при хімічно активних реакти­вах), спостерігаються такі процеси як набухання проби, її пластифікація без де­струкції; набухання і розчинення без деструкції; деструкція поверхнева, об'ємна, пошарова; відокремлення бокових функціональних груп без деструкції полімер­них ланцюгів або їх деструкція [2].

Таким чином, хімічна реакція між полімерним покриттям і агресивним сере­довищем може проходити як на межі розподілу фаз, так і в його об'ємі. Якщо до­пустити, що указані фази є замкненою системою, то швидкість хімічної реакції можна виразити таким співвідношенням:

dn

W =-, (1)

Vdt

де n - число зруйнованих зв'язків в момент часу t; V - об'єкт проби полімеру.

Якщо число зруйнованих зв'язків прийняти за площу S зразка, то W=S/V в момент часу t, але коли припустити, що при цьому зберігається закон дії маси і об'єм полімеру в процесі деструкції практично не змінюється і що він є ізотроп­ним за своїми властивостями, швидкість руйнування хімічно нестійких зв'язків буде дорівнювати:

W = ddCL = K(C - Cn )CkCp, (2)

де С - початкова концентрація хімічно нестійких зв'язків в полімері; Сп - концентрація зв'язків, що розпалися; Ск - концентрація агресивного середовища в полімері; Ср - концентрація розчинника в полімері; К - константа швидкості руйнування хімічно нестійких зв'язків.

Концентрація агресивної рідини, наприклад, кислоти може бути розрахована із рівняння:

% = DkL2Ck C&

'К,- (3),

kk

dt і

де Dk - коефіцієнт дифузії кислоти; L - оператор Лапласа;

Сі - концентрація функціональних груп в полімері, здатних вступити в реак­цію;

Ki - константа швидкості рівноваги реакції.

Якщо розчинник агресивної рідини витрачається в полімері для руйнування хімічно нестійких зв'язків, то його концентрація може бути знайдена із такого рів­няння:

dCp = DpL2Cp - K(C - Cn Y:Cp. (4)

dt

Таким чином, задача визначення швидкості руйнування хімічно нестійких зв'язків в полімерному покритті в процесі впливу агресивних середовищ, а відтак і самого полімеру, можлива за умови спільного рішення рівнянь (1-4). Але якщоврахувати, що контакт полімеру з агресивним середовищем проходить через такі стадії, як змочування, сорбція, дифузія, набухання тощо, то такий процес, як де­струкція залежить від природи його функціональних груп, хімічних реагентів і їх полярності [3,4], що приводить до ускладнення. Тому для рішення указаних рів­нянь рекомендується використовувати такі граничні умови:

а) концентрація дифундуючих речовин на поверхні полімеру, що досліджу­ється, - величина постійна;

б) концентрація дифундуючих речовин на поверхні полімеру є функцію часу і залежність концентрації від часу описується одним із рівнянь адсорбції;

в) концентрація дифундуючих речовин на поверхні полімеру, що досліджу­ється, визначається законом масопереносу ,а саме [1]:

A = Р(С0 - Cj, (5)

де   А - потік дифундуючої речовини;

Со - концентрація речовини на поверхні полімеру;

Са - концентрація речовини в об'ємі розчину агресивного середовища;

в - коефіцієнт масопереносу.

Деструкція полімерів, в залежності від співвідношення швидкостей процесів дифузії і хімічної реакції, протікає в таких областях проби, як внутрішня дифузій­но-кінетична, внутрішня кінетична та зовнішня дифузійно-кінетична [1,2].

В зв'язку з цим, якщо швидкість дифузії агресивної рідини співпадає із шви­дкістю хімічної реакції, то деструкція проходить у внутрішній дифузійно-кінетичній області. Якщо швидкість дифузії перевищує швидкість хімічної реакції, то дестру­кція полімеру проходить у внутрішній кінематичній області, тобто по всьому об'єму. В тому випадку, коли швидкість дифузії значно менша швидкості хімічної реакції, деструкція полімерного покриття проходить у зовнішній дифузійно-кінематичній області, тобто в деякому тонкому реакційному поверхневому шарі. Окрім цього, кожний вид деструкції характеризується своїми особливостями, а її швидкість більше залежить від концентрації агресивного середовища, експозиції, температури, ніж від поверхні, об'єму або структури полімеру. Так, якщо деструк­ція полімеру проходить по всьому об'єму (внутрішня кінетична область), то кіне­тика процесу описується рівнянням:

N -1   No -1 -h

—-= —-e     ■ (6)

N No

де No - початковий ступінь полімеризації;

Nt - ступінь полімеризації в момент часу t;

k - константа швидкості деструкції;

t - час процесу деструкції. Якщо деструкція проходить тільки по поверхні проби, то кінетика процесу описується такою формулою:

1 -_

a

M = M

де Mo - вихідна маса проби, що досліджується;

(7)

М - маса проби в момент часу t; к - константа швидкості деструкції; a - геометричні показники проби (товщина, радіус).

За допомогою формули (7) можна розрахувати константу швидкості дестру­кції як полімерного покриття, так і текстильної основи, на яку воно наноситься, тобто:

к =-. (8)

t

Необхідно також відзначити, що в більшості випадків має місце комбінова­ний вплив агресивних середовищ на полімер, серед яких можна виділити такі, як набухання з одночасним розчиненням або деструкцією. Кінетика указаних проце­сів складна і математично їх описати з урахуванням зміни, наприклад, розрива-льних характеристик проби, поки що є важким завданням. Тому вивчення впливу агресивних середовищ на деструктивні процеси, які проходять у зазначених об­ластях, можливо тільки за допомогою експериментів.

Вплив агресивних рідин на полімер залежить від їх природи та активності. Якщо агресивний агент фізично активний, то його контакт з пробою приводить до зниження вільної поверхневої енергії на межі розподілу «тверде тіло - навколи­шнє середовище», що обумовлює прискорення деформаційних і руйнівних про­цесів (ефект Ребіндера), а відтак до зменшення показників міцності. При цьому може відбуватися зменшення міжмолекулярних зв'язків, що приводить до утво­рення тріщин в об'ємі полімеру або збільшення ступеня кристалічності за рахунок рівномірного розподілу напруги та збільшення гнучкості макромолекул. Але оскі­льки указані процеси проходять одночасно, то максимальна зміна величини, на­приклад, розривальних навантажень, може бути виявлена тільки в залежності від часу експозиції. Слід зазначити, що взаємодія фізично активного середовища з полімерним покриттям залежить від його розчинності в пробі матеріалу. Якщо розчинність достатньо висока, то під час дифузії в пробі виникають мікротріщини, які в процесі постійного навантаження можуть переростати в макротріщину, що приводить до її руйнування.

Хімічно активні середовища впливають на полімерне покриття з достатньою швидкістю і при наявності всіх охарактеризованих процесів, які взаємодіють од­ночасно, можуть привести пробу до миттєвої деструкції. Тому вивчення впливу указаних реагентів на полімери теж проводять експериментальним шляхом, з ви­користанням такого критерію оцінки, як, наприклад, розривальне навантаження. Це приводить до того, що текстильні матеріали з полімерним покриттям, які ви­користовуються для виготовлення ЗІЗ ізолювального типу, не витримують екс­плуатаційні та технічні вимоги відносно захисних властивостей до впливу указа­них агресивних рідин.

У зв'язку з цим, в процесі вибору спеціальних матеріалів для ІК важливе на­укове і практичне значення повинне мати прогнозування змін їх властивостей як в умовах лабораторії (проби матеріалів), так і в умовах підприємства (готові ви­роби), що дасть змогу вирішити проблему, пов'язану з надійністю, яка до тепері­шнього часу, відносно названих ЗІЗ, є актуальною.

Раніше зазначалось, що наявність або відсутність деструктивних процесів під час дії агресивної рідини на пробу текстильного матеріалу контролюється традиційним методом, що дає змогу тільки констатувати зміну величини розри­вального навантаження в порівнянні з вихідним. Але оскільки указані показники є відносними [1], то для вирішення питань стосовно надійності не тільки готового виробу, але й комплектуючих деталей (нитки, стрічка для герметизації швів, гу­мові чоботи тощо), необхідно, щоб деструктивні процеси указаних матеріалів до­датково вивчалися з використанням дефектної і молекулярно-кінетичної теорії міцності, згідно з рівнянням проф. С.М. Журкова:

Т = Be   bT       , (9)

де т - довговічність (час до руйнування) проби матеріалу;

В - стала, чисельно (10-1 ...10-13) близька до періоду теплових коливань ато­мів; ио - енергія активації процесу руйнування; j - стала, яка залежить від струк­тури і природи матеріалу; а - величина постійного напруження, яка діє в процесі дослідження; b - стала Больцмана і Т - абсолютна температура.

Таким чином, проведений аналіз методичних основ свідчить про можливість вивчення впливу агресивних середовищ на хімічну стійкість проб матеріалів для ІК (розривальні навантаження) в залежності від часу їх дії при постійному напру­женні (довговічність), що дозволить наблизитись до вирішення питань, пов'язаних з надійністю готових виробів.

Роботи в даному напрямку продовжуються.

Література

1. Моисеев Ю.В., Заиков Г.Е. Химическая стоимость полимеров в агрессивных сре­дах. - М.: Химия, 1979. - 288 с.

2. Перепелкин К.Е., Зарин А.В., Звегинцева Л.А. Действие активных жидких сред на химические волокна (*высокопрочные). - М.: НИИТЭХИМ, 1982. - 80 с.

3. Перепелкин К.Е., Перепелкина М.Д. Растворимые волокна и пленки. - М.: Химия,

1977. - 104 с.

4. Панков С.П. Равновесие фаз в системе полимер-растворитель. - М.: Химия, 1981. -

272 с.

УДК 648.23 (088.8)

Алехин С.Н., Махов Д.П., Федяев А.А.

К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ОТЖИМА БЕЛЬЯ В СТИРАЛЬНЫХ МАШИНАХ БАРАБАННОГО ТИПА

Статья посвящена вопросам актуальности исследования динамики стиральных машин барабанного типа в переходные периоды центро­бежного отжима

Бытовая техника играет важную роль в жизни современного человека и с каждым годом значение ее для создания комфортных бытовых условий возрас­тает. Следствием этого является рост активности фирм-производителей изде­лий бытовой техники на рынке сбыта машин и приборов бытового назначения;обостряется борьба за их конкурентоспособность; вкладываются огромные средства как в рекламу своей продукции и продвижение ее на рынке, так и на научно-исследовательские работы, направленные на повышение показателей качества бытовой техники, технико-эксплуатационные и потребительские харак­теристики.

Одними из наиболее распространенных изделий бытовой техники являются бытовые стиральные машины. Значительную часть современного парка быто­вых стиральных машин составляют автоматические стиральные машины, кото­рые являются наиболее востребованными среди потребителей бытовой техники [1]. Практически все виды автоматических стиральных машин относятся к маши­нам барабанного типа, из которых наиболее распространенными являются сти­ральные машины с горизонтальной осью вращения.

Широкая популярность автоматических стиральных машин барабанного ти­па обусловлена рядом достоинств по сравнению с другими типами стиральных машин, основными из которых являются удобство в обслуживании и возмож­ность наиболее полной автоматизации и механизации процессов обработки бе­лья при стирке и отжиме [1]. Однако значительные динамические нагрузки, воз­никающие при центробежном отжиме белья и, как следствие, высокий уровень вибрации, позволяющие отнести машины данного типа к одним из наиболее виброактивных изделий бытовой техники, являются одним из главных недостат­ков, снижающих их потребительские свойства и делающих их менее конкуренто­способными в сравнении с другими типами машин.

Вредное влияние вибрации на технические объекты, в том числе, на быто­вые стиральные машины барабанного типа выражается в выходе из строя кон­структивных элементов, разбалтывании подвижных соединений, в нарушении работы контрольно-измерительных приборов. Установлено, что 70-80% отказов изделий машиностроения являются результатом действия вибрации [2, 3]. На­личие вибрации является одной из основных причин относительно низкой на­дежности стиральных машин в сравнении с другими изделиями бытовой техни­ки: по статистике Британской ассоциации потребителей вероятность поломки в первый год эксплуатации стиральных машин в 6 раз выше, чем у холодильников

[1].

Таким образом, очевидна важность вопроса борьбы с вибрацией стираль­ных машин барабанного типа . Актуальность проблемы напрямую связана также с ростом требований в отношении снижения виброактивности и повышения виб­ронадежности машин и механизмов, в том числе стиральных машин барабанно­го типа, что продиктовано как экономической целесообразностью, так и требова­ниями со стороны потребителей продукции машиностроения и конъюнктурой рынка.

Исследование динамики стиральных машин барабанного типа, методов и технических средств защиты от вибрации рассмотрены в ряде научных работ, в частности [4, 5, 6, 7 и др.]. При этом необходимо отметить, что в указанных ра­ботах исследование колебаний проводится в основном для установившегося режима центробежного отжима. В то же время вопросам, посвященным иссле­дованию поведения рассматриваемых колебательных систем в переходные пе­риоды, при разгоне и торможении барабана, связанных с резонансными явле­ниями, уделено незначительное или второстепенное внимание. Хотя известно, что именно в переходные периоды возникают значительные динамические на­грузки. К тому же следует также отметить, что авторы данных работ используют единую методику исследования динамики стиральных машин как в установив­шемся режиме центробежного отжима, так и в переходные периоды. Однако, как показывает анализ отдельных положений теории колебаний, такой подход к ре­шению проблемы исследования динамики колебательных систем, в том числе стиральных машин барабанного типа, является неверным, так как для достиже­ния наиболее достоверных результатов исследований необходимо рассматри­вать поведение колебательной системы в переходные периоды с учетом осо­бенностей динамики стиральных машин для данного периода центробежного отжима и использовать для этого математический аппарат и экспериментальные средства, приспособленные для исследования динамики рассматриваемых объ­ектов именно в период разгона и торможения стирального барабана [8, 9].

В рассмотренных работах для исследования динамики машин под действи­ем гармонических сил использовалось обобщенное уравнение движения упруго-диссипативной системы с конечным числом степеней свободы:

Aq + Bq + Cq = F(t),

где А - матрица инерционных коэффициентов; В - матрица коэффициентов дис­сипации; С - матрица упругих коэффициентов; F - вектор внешних возмущаю­щих сил; q - вектор обобщенных координат, характеризующий перемещение подвесной части при колебаниях.

Преобразовав это уравнение с учетом конструктивных особенностей сти­ральных машин барабанного типа, получили систему из 6 дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами, описывающими колебания подвесной части машин [5]. Однако, как показал современный анализ использования полученных математических моделей при проектировании ра­циональных конструктивных параметров стиральных машин барабанного типа с системой виброизоляции, учет постоянных коэффициентов при математическом моделировании недостаточен для дальнейшего совершенствования подходов и методов борьбы с вибрацией, особенно в переходные периоды процесса отжи­ма.

Так, безусловно, актуальным в настоящее время является вопрос исследо­вания поведения колебательной системы стиральных машин при переменных значениях упругих элементов, демпферов и инерционных показателей машины. Это предполагает, в первую очередь, применение активного управления указан­ными элементами и параметрами машины и системы виброизоляции. А это, в свою очередь, предусматривает разработку новых технических решений и мето­дов реализации систем виброзащиты стиральных машин барабанного типа, а также совершенствование известных математических моделей, описывающих колебаний стиральных машин с учетом переменных коэффициентов.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93 


Похожие статьи

І Г Дейнека - Дослідження ступеня надійності кислотозахисних костюмів від волокнистого складу текстильних матеріалів

І Г Дейнека - Аналіз теоретичних основ про вивчення впливу агресивних середовищ на матеріали з полімерним покриттям