Содержание
Введение........................................................ 5
1 Нетканые и тканые материалы.................................. 13
1.1 Общие сведения............................................ 13
1.2 Нетканые и тканые материалы, использованные для исследований......................................................... 20
2 Модели светорассеяния в слабомутных средах, когерентные эффекты при рассеянии света в неупорядоченных системах, модели кинетики сорбции в бипористых средах................................. 22
2.1 Модели светорассеяния в слабомутных средах................ 22
2.1.1 Коэффициент диффузного отражения и коэффициент яркости. Диффузное пропускание....................................... 22
2.1.2 Ослабление светового луча. Свечение малого объема мутной среды......................................................... 20
2.1.3 Свечение слабомутной среды. Рассеяние света в сильномутной среде................................................. 31
2.2 Когерентные эффекты при рассеянии света в неупорядоченных системах............................................. 38
2.2.1 Корреляционные функции интенсивности................... 38
2.2.2 Угловые и частотные корреляции. Эффект памяти 39
2.2.3 Дальнодействующие корреляции интенсивности............. 49
2.3 Модели кинетики сорбции в бипористых средах............... 57
2.4 Выводы..................................................... 71
3 Физические принципы и технические решения для создания высокочувствительных оптических анализаторов......................... 73
3.1 Фотоэлектрические счетчики аэрозольных частиц.............. 73
3.2 Анализатор «Квант-2П»...................................... 74
3.3 Измеритель запыленности «Квант-ЗП»......................... 80
3.4 Разработка и исследование оптического анализатора на
2
основе итерферометра на встречных световых пучках..................... 84
3.5 Разработка оптического способа и устройства для непрерывного измерения количества влаги, испаряемой с
поверхности нетканых и тканых материалов.............................. 91
3.5.1 Способы определения смачиваемости фильтрующих материалов............................................................ 91
3.5.2 Физические основы предлагаемых оптических способов непрерывного измерения увлажненности нетканых и тканых материалов и их техническая реализация................................ 93
3.5.3 Экспериментальное исследование зависимости степени поляризации лазерного излучения, различными неткаными и ткаными материалами, от увлажненности ма териала....................... 95
3.5.4 Экспериментальное исследование зависимости индикатрис рассеяния когерентного и некогерентного излучения на матернюю «М1СГое1еап» от увлажненности материала..................... 116
3.6 Выводы.................................................... 126
4 Исследование метрологических характеристик разработанных
оптических анализаторов............................................. 127
4.1 Разновидности погрешностей оптических анализаторов 127
4.1.1 Адекватность статистических оценок истинного значения измеряемой величины.................................................. 127
4.1.2 Определение точного доверительного интервала
истинного значения измеряемой величины.............................. 128
4.1.3 Доверительный интервал для дисперсии результатов измерений............................................................ 130
4.1.4 Суммирование погрешностей результатов измерений 133
4.1.4.1 Суммирование погрешностей измерений, когда
случайная составляющая погрешности распределена по нормальному
закону, систематическая - по равномерному........................... 133
4 1.4.2 Суммирование погрешностей измерений, когда
3
систематическая и случайная составляющие погрешности
распределены по нормальному закону.................................. 136
4.1.4.3 Суммирование погрешностей измерений, распределенных по равномерному закону............................... 140
4.2 Метрологическое обеспечение оптических измерений нетканых и тканых материалов......................................... 148
4.3 Выводы.................................................... 160
Заключение..................................................... 161
Библиография................................................... 163
4
Введение
Рассеяние света представляет собой одну из важнейших областей современной оптики. При атом наибольшего внимания заслуживает так называемая обратная задача: путем анализа рассеянного поля требуется описать объект, являющийся причиной этого рассеяния |1). Решение подобных задач сопряжено с максимальными трудностями, но каждый успех, достигнутый в этой области, дает толчок развитию новых оптических способов измерения различных физических характеристик всевозможных объектов.
Существует целый ряд оптических материалов, которые по своей природе являются светорассеивающими. Это - оптические и цветные ситаллы, бескислородные и специальные стекла с наномернымн микронеоднородностями и ионными красителями, поликристаллическне шпинели и т.д. Развитие науки и технологий приводит к тому, что вес чаще требуется измерять оптические характеристики и у традиционно «неоптических» материалов (лакокрасочные и электрохимические покрытия, ткани и нетканые материалы, бумага, керамика, пластмассы, фарфор и т.д.)
Таким образом, рассматриваемая тема актуальна и затрагивает фундаментальные вопросы взаимодействия света с материалами, оптического приборостроения различного назначения (космос, экология, медицина, промышленность и т.д.).
В развитие основных существующих теорий светорассеяния большой вклад внесли многие известные ученые: И Г. Ламберт, Дж. Релей, Дж. Ми, О Д Хвольсон, В. Фок, М. Борн, С. Чандрасекар, М М Гуревич, П. Кубелка, Ф. Мунк, Г. Ван де Хюлст, A.A. Гершун, Н А. Войшвилло, A.C. Топорец, М.Г. Каганер, К.С Шифрин и лр [I 10].
Нетканые и тканые материалы используются для утилизации пыли и аэрозолей в агмосферс вентилируемых закрытых помещений, а также как пористые среды для фильтрации различных жидкостей Для исследования различных мнкрофиз1гческих характеристик аэрозольных частиц на поверхности
5
этих материалов, кинетики сорбции частиц в материалах и измерения их концентрации на поверхности, содержания влаги в материалах и кинетики ее испарения были реализованы методы рассеяния света в неупорядоченных системах. На основании многих экспериментов были найдены оптимальные условия измерения концентрации аэрозолей но углу рассеяния света, измерены коэффициенты деполяризации рассеянного света и найдено новое техническое решение по оптическому анализатору аэрозолей и влаги.
Предлагаемые физико-математические модели распределения концентрации и потоков в микропористых средах и когерентных эффектов при рассеянии света могут способствовать решению различных задач в оптике атмосферного аэрозоля в вентилируемых закрытых помещениях.
Целью диссертационной работы является разработка научно-технических основ измерения микрофизических характеристик аэрозольных частиц на поверхностях нетканых и тканых материалов, непрерывного измерения количества испаряемой жидкости с этих поверхностей, измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц в вентилируемых закрытых помещениях
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) поиск физических принципов и технических решений для создания высокочувствительных оптических анализаторов, детально исследующих размеры и концентрации аэрозольных частиц в атмосфере вентилируемых закрытых помещений;
2) разработка и исследование оптического анализатора на основе интерферометра на встречных световых пучках;
3) разработка оптического способа й устройства непрерывного измерения количества испаряемой влаги с поверхности нетканых и тканых материалов;
4) исследование метрологических характеристик разработанных оптических анализаторов - чувствительности, диапазона измерений, погрешности и поиск способов их улучшения путем оптимизации рабочих параметров,
6
5) создание макетов оптических анализаторов и их апробация при решении практически значимых задач по измерению размеров и концентрации аэрозольных частиц;
6) модели кинетики сорбции в бипористых средах и когерентные эффекты при рассеянии света в неупорядоченных системах.
При решении поставленных в работе задач использованы методы рассеяния когерентного и некогерентного света, статистическая обработка экспериментальных данных, математическое моделирование на ЭВМ.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые:
1) выполнены исследования оптических свойств нетканых и тканых материалов на основе рассеяния когерентного и некогерентного света;
2) разработан и исследован оптический способ непрерывного измерения количества испаряемой жидкости с поверхности нетканых и тканых материалов;
3) создан макет оптического анализатора для непрерывного измерения размеров и концентрации аэрозолей в атмосфере вентилируемых закрытых помещений;
4) на интерференционный способ измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц и устройство для его реализации получен патент 2148812 РФ;
5) рассмотрены условия локального неравновесия в пространстве транспортных пор и в объеме микропористых зон;
6) рассмотрены когерентные эффекты при рассеянии света в неупорядоченных системах.
Личный вклад автора.
- участие в экспериментальных исследованиях;
- макетирование оптических анализаторов;
- компьютерная обработка результатов измерении;
- аналитический обзор оггтических методов измерения, основанных на светорассеянии;
7
- моделирование кинетики сорбции в бипористых средах;
- моделирование когерентных аффектов при рассеянии света в неупорядоченных системах.
Достоверность результатов намерений подтверждена:
- сравнением результатов экспериментальных измерении в исследованиях нетканых и тканых материалов, выполненных в разные годы;
- исследованием одних и тех же образцов разными методами (весоизмерительный и рассеяние света в малые телесные углы).
Практическая ценность работы:
1) полученные результаты позволили разработать макет оптического анализатора на основе гониометра ГС-5 (оптический влагомер) и реализовать оптический способ непрерывного измерения количества испаряемой жидкости с нетканых и тканых материалов.
2) полученные результаты позволили разработать макет оптического анализатора для непрерывного измерения размеров и концентрации аэрозолей в атмосфере вентилируемых закрытых помещений;
3) на способ измерения и устройство получен патент 2148812 РФ, МКИ 601 N21/00, приоритет от 10.08.1998, опубликован 10.05.00, бюлл. №13.
Полученные результаты могут использовагься в производственных организациях и в учебном процессе - при изучении дисциплин, связанных с применением лазеров в метрологических измерениях.
Реализация результатов исследований. Представленные в диссертации результаты исследований использованы при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ, проводимых в соответствии с планом прикладных и фундаментальных ПИР Сибирской государственной геодезической академии:
- «Исследования и разработка оптического анализатора для аэрозолей и пыли». Госбюджетная НИР, №ГР 0196.0000437;
в
- «Разработка и исследование когерентнооптических систем со свсрх-широкоугольным обзором для измерения малых возмущений в прозрачных средах». Госбюджетная НИР, №ГР 0196.0000135;
- «Исследование интерферометра для возможностей непрерывного измерения малых перемещений в нанометровом диапазоне». Грант, №ГР 0198.0003198;
- «Исследование оптических анализаторов для гидрозолей, аэрозолей и пыли». Госбюджетная НИР, №ГР 0199.0000-1273.
Результаты исследований внедрены на предприятиях г. Новосибирска -АО «Северянка», завод полупроводниковых приборов. Разработанные интерференционный способ и устройство для измерения размеров и концектра-ции аэрозольных частиц, оптические способы непрерывного измерения количества жидкости в нетканых и тканых материалах при испарении и соответствующая аппаратура внедрены в учебный процесс (курс лекций «Применение лазеров в метрологических измерениях», курсовые и дипломные работы, изготовление лабораторного оборудования кафедры, наглядные пособия по курсу лекций), что подтверждается актами внедрения.
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся научные и технические основы построения оптических анализаторов, обеспечивающих непрерывное измерение количества испаряемой влаги с нетканых и тканых материалов, а также непрерывное измерение размеров и концентрации аэрозольных частиц в атмосфере вентилируемых закрытых помещений, включающие:
- оптический способ рассеяния когерентного и некогерентного света на поверхности нетканых и тканых материалов;
- интерференционный способ измерения размеров и концентрации аэрозольных частиц и устройство для его реализации;
- математические модели кинетики сорбции в бипористых средах и ко-герентных эффектов при рассеянии света в неупорядоченных системах
9
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных совещаниях и конференциях:
- Научно-практической конференции Межрегиональной ассоциации «Сибирское соглашение». СО РАН, СО РАМН. МООС и ПР РФ, Новосибирск, 1996 г.;
- Международной научно-технической конференции «Научные основы высоких технологий», Россия, Новосибирск, 1997 г.;
- Третьей всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», Санкг-Петербург, 1998 г.;
- Третьем сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98), посвященном памяти С.Л. Соболева (1908 - 1989), Новосибирск, 1998 г.;
- Международной научно-технической конференции «Современные проблемы геодезии и оптики», посвященной 65-летию СГГА, Россия, Новосибирск, 1998 г.;
- Второй всеснбирской промышленной выставке СИБПОЛИТЕХ-98, НАУКА СИБИРИ, ТЕХНОПАРК СИБИРИ, семинаре «Оптико-электронные приборы в задачах экологии и ресурсосберегающих технологиях», Новосибирск, 1998 г.;
- Международной научно-технической конференции «220 лет геодезическому образованию в России», посвященной 220-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картографии, Москва, 1999 г.;
- Четвертой всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», Санкт-Петербург, 1999 г.;
ю
- Всероссийском экономическом форуме «Сибирь Восток - Запад» Международной промышленной выставки «Сибирь: экспорт - импорт - 99», Россия, Новосибирск, 1999 г.;
- Первой международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-99», Россия, Санкт-Петербург, 1999 г.;
- Научно-технической конференции «Геомониторинг на основе современных технологий сбора и обработки информации», посвященной 90-летию К.Л. Проворова, заслуженного работника геодезии и картографии, Новосибирск, 1999 г.;
- Четвертом сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-2000), посвященном памяти С.Л. Соболева (1908 -1989), Новосибирск, 2000 г.;
- Международной конференции «Прикладная оптика - 2000» Международного оптического конгресса «Оптика - XXI век», Россия, Санкт-Петербург. 2000 г.;
- Международном экологическом конгрессе «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», Россия, Санкт-Петербург, 2000 г.;
- Научно-технических конференциях преподавателей СГГА, Новосибирск, 1995 - 2001 г.г.
По материалам диссертации опубликовано 28 научных работ, в том числе: тезисы и доклады в материалах 10 международных конференций и конгрессов, патент РФ на изобретение, заявка на изобретение, 3 рукописи депонированы в ВИНИТИ, 8 зарегистрированных во ВНТИЦ научно-технических отчетов по госбюджетным НИР и гранту, в которых автор являлся исполнителем или ответственным исполнителем.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и библиографии, включающей 87 наименований. Диссертация изложена на 171 странице, включая 20 таблиц и 54 рисунка.
И
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору, доктору физ.-мат. наук, Заслуженному деятелю науки Российской Федерации Мещерякову Н.А.; доценту, кандидату техн. наук Подъя-польскому Ю.В., а также всему коллективу кафедры метрологии, стандартизации и сертификации СГГА за научную, техническую и организационную помощь, оказанную автору в процессе работы над диссертацией.
12
1 Нетканые н тканые материалы
1.1 Общие сведения
Нетканые материалы (н.м.)-текстильные материалы, изготавливаемые из натуральных и химических волокон без применения методов ткачества. Производство н.м. основано на закреплении отдельных волокон: прошиванием волокнистого холста пряжей (вязально-прошивные н.м ), свонлачиванием волокнистой массы и прокалыванием холста иглами с зазубринами (иглопробивные н.м.) или проклеиванием волокнистого холста связующими (клеёные н.м ). Чаще всего холст формируют механическим способом из нескольких слоев прочеса или аэродинамическим способом [11].
По сравнению с традиционными способами производства в текстильной промышленности - ткачеством и прядением - производство н.м. отличается простотой технологии, повышением производительности оборудования и, следовательно, меньшими капитальными и трудовыми затратами, разнообразием ассортимента полотен, возможностями рационального использования различного сырья, более низкой себестоимостью, возможностью максимальной автоматизации производства, а сами н.м. имеют хорошие эксплуатационные свойства. Поэтому н.м. стали одним из основных видов современной текстильной продукции, хотя крупное промышленное производство их появилось лишь в 40-х годах XX века [11, 14).
Различают н.м. типа тканей (холстопрошивные, нитспрошивныс, тка-нспрошивные, иглопробивные, клееные, комбинированные) и ватины (хол-стопрошнвные, иглопробивные, клееные), а также бытового и технического назначения.
Свойства н.м зависят от их структуры и способа производства, природы сырья. Н.м. вырабатывают из натуральных (хлопковых, льняных, шерстяных) и химических (например, вискозных, полиэфирных, полиамидных, по-лиакрилонигрильных, полипропиленовых) волокон, а также вторичного во-
13
локнистого сырья (волокна, регенерированные из лоскута и тряпья) и корот-коволокннстых отходов химической и других отраслей промышленности.
Волокнистый холст (основу н.м.) - слой текстильных волокон (поверхностная плотность от 10 до 1000 г/м2 и более) - чаще всего получают механическим способом: на чесальной машине из волокон длиной от 45 до 150 мм формируют прочес, или ватку (непрерывный тонкий слой волокон с поверхностной плотностью около 20 г/м2), который с помощью специального приспособления укладывается «друг на друга» под разными углами, в результате чего в холсте получают продольную или продольно-поперечную ориентацию волокон.
При аэродинамическом способе расчесанные волокна увлекаются потоком воздуха и переносятся по каналу (диффузору) на сетчатый барабан или транспортер, где укладываются с образованием холста бесслойной структуры (неориентированное расположение волокон). Гидравлическим (мокрым) способом холст формируют из водной суспензии коротких непрядо.мых волокон на сетке бумагоделательной машины Электростатическим способом холст получают, укладывая заряженные волокна равномерным слоем на транспортере, имеющем заряд противоположного знака. Волокнообразующим способом холст получают укладкой на сетчатой поверхности транспортера непрерывных волокон (нитей) непосредственно после их формования из расплава или раствора полимера
Волокнистую основу из нитей (система нитей) формируют укладкой нескольких слоев пряжи или готовых химических нитей упорядоченно, например в виде сетки, или хаотически
Волокнистую основу скрепляют физико-механическими, физикохимическими или комбинированными способами [12-17].
Физико-химические способы скрепления волокнистой основы н.м. самые распространенные; их применяют для получения клееных н.м. Волокна (нити) в холсте скрепляются в единую систему связующим вследствие адгезионного (аутогезионного) взаимодействия на границе контакта связующее -
14
волокно (нить). В качестве связующих используют эластомеры, термопластичные и термореактивные полимеры в виде дисперсий, растворов, аэрозолей, порошков, легкоплавких и бикомпонентных волокон. Иногда связующее не используют; в этом случае основу н.м. подвергают специальной обработке (тепловой, химической), приводящей к снижению температуры текучести полимера, из которого изготовлены волокна (нити), или к появлению «липкости» на их поверхности в результате набухания, пластификации и др , способствующей скреплению волокон в местах их контакта (14, 17].
Различают несколько основных способов получения клееных н.м. Широко распространен метод пропитки холста жидкими связующими (дисперсиями и растворами бутадиен-акрилонитрильного каучука, полистирола, по-ливипилацетата, поливинилового спирта, акриловых сополимеров). После пропитки полотно подвергают сушке и термообработке горячим воздухом или ПК излучением.
Бумагоделательным способом н.м. получают из коротких текстильных волокон (от 2 до 12 мм), к которым иногда добавляют древесную целлюлозу, на обычном бумагоделательном оборудовании и из волокон повышенной длины (40 мм и более) на бумагоделательных машинах с наклонной сеткой. Связующие - синтетические латексы, легкоплавкие волокна (обычно поливинилхлоридные), фибриды и бикомпонентные волокна - вводят в полотно до или после его отливки на бумагоделательной машине. Затем полотно сушат и подвергают термообработке. Получаемые н.м. бумагоподобны; применение более длинных волокон улучшает их текстильные свойства. Этим способом получают н.м. одноразового пользования, например скатерти, пеленки, постельное белье, салфетки.
Более прогрессивным, чем пропитка, является способ термоскрепления При этом можно получить н.м. различных структур и свойств Холст формируют из базовых волокон - полиамидных, вискозных, полиэфирных или их смесей с легкоплавкими (полипропиленовыми, поливинилхлоридными) и бикомпонентными волокнами На холст или отдельные слои прочеса
15
- Киев+380960830922