СОДЕРЖАНИЕ
Введение..........................................................5
Глава 1. Литературный обзор. Современные представления о старении электроизоляционных материалов при воздействии климатических факторов.........................................................12
1.1. Влияние состава и структуры кабельных пластиков на стойкость
к погодным условиям...........................................12
1.2. Теплофизические и электрофизические свойства некоторых электроизоляционных материалов.............................19
Глава 2. Исследуемые объекты и экспериментальные установки для измерения теплофизических и электрофизических свойств композиционных материалов............................................29
2.1. Характеристика объектов и методика приготовления образцов....29
2.2. Методы измерения теплопроводности и теплоемкости твердых тел в зависимости от температуры.......................30
2.3. Экспериментальная установка для измерения температуропроводности композиционных материалов.........................42
2.4. Методы определения физико-механических характеристик изоляции АБС-пластиков.....................................43
2.5. Аппаратура для испытания и исследования образцов при термо- фото - механоокислительной деструкции...............46
Глава 3. Окислительная деструкция одноосно - механически нагруженных акрилонитрилбутадиенстирольных пластиков. Тепло- и электрофизические свойства исследуемых объектов...............51
3.1. Фотомеханоокислительная деструкция изоляции АБС-пластиков........................................................51
3.2. Атмосфероокислительная деструкция изоляции АБС-пластиков, экспонированных на различных высотах над уровнем моря.56
3.3. Влияние климатических факторов на характер трещинообразо-вания изоляции АБС-пластика................................67
3
3.4. Термический анализ изоляции АБС-пластиков при климатическом старении..............................................74
3.5. ИК - спектроскопическое исследование окислительно-деструк-ционных процессов одноосно - механически напряженных изоляций АБС-пластика при климатическом старении................79
3.6. Термические свойства электроизоляционных материалов.......84
3.7. Экспериментальные определения теплофизических характеристик изоляции АБС-пластиков экспонированных при различных условиях...................................................88
3.8. Расчет коэффициента теплопроводности изоляции АБС-пластика.........................................................92
3.9. Удельная теплоемкость исследуемых пластиков...............96
3.10. Температуропроводность изоляции АБС - пластика в зависимости от температуры и времени экспонирования в различных условиях....................................................102
Глава 4. Обработка экспериментальных данных тепло- и электрофизических свойств исследуемых пластиков........................110
4.1. Стабилизация структуры кабельных пластиков к воздействию светопогоды.................................................110
4.2. Анализ экспериментальных данных по тепло - и электрофизических характеристик исследуемых пластиков............-...117
4.3. Обработка экспериментальных данных по теплофизическим характеристикам изоляции АБС-пластиков......................120
4.4. Взаимосвязь между механическими и теплофизическими свойствами изоляции АБС-пластиков в зависимости от температуры, экспонированного при различных условиях.............124
Основные выводы..................................................127
Литература.......................................................129
Приложение.......................................................150
4
ВВЕДЕНИЕ
Технология создания композиционных материалов (КМ), удовлетворяющих потребностям современной техники и промышленности, возможна только на основе всестороннего изучения теплопроводности многокомпонентных систем. Экспериментальные исследования таких систем сопряжены с рядом трудностей, которые в случаях систем, содержащих компоненты легколетучих, высокотемпературных или химически активных веществ, возрастают многократно.
Характерным признаком современного производства является наличие жесткой конкуренции на рынке готовой продукции. Это определяет необходимость в создании, существенном расширении ассортимента и повышении качество новых теплозащитных, электроизоляционных, конструкционных полимерных материалов, которые по своим физическим свойствам относятся к твердым неметаллическим материалам. Качественные показатели таких материалов, прежде всего, характеризуются их теплофизическими свойствами (ТФС) - теплопроводностью, температуропроводностью, тепловой активностью и удельной теплоемкостью.
При математическом моделировании, проектировании и оптимизации режима отверждения изделий полимерных композиционных материалов возникает необходимость в исследовании параметров, характеризующих этот процесс к которым относятся ТФС исследование как для отвержденного композиционного материала, так и в процессе его отверждения при достаточно произвольных режимах нагрева.
При проектировании режима отверждения изделий из полимерных материалов возникает необходимость в исследовании параметров характеризующих процесс отверждения, к которым относятся: теплоемкость, теплопроводность, тепловой эффект, кинетические параметры, т. е. энергия активации и кинетическая функция, а также параметры качества выполняющие функции ограничений накладываемых на процесс. Для повышения качества изделий из композитных материалов (ИКМ) важное значение имеет
5
знание теплофизических показателей как коэффициентов теплопроводности, теплоотдачи, отражения и т.п.
Ранее в электроизоляционной технике широкое применение находили материалы природного происхождения: древесина, хлопчатобумажное волокно, шелк, растительные масла, натуральный каучук, природные смолы, каменные породы и др.
За последнее время условия, в которых работают материалы в электрических устройствах, в аппаратуре радиоэлектроники, автоматики и линии электропередачи стали более суровыми.
Высокие температуры часто существенно ухудшают условия работы электроизоляционных материалов.
В ряде случаев электроизоляционным материалам приходится работать в условиях повышенной влажности окружающей среды, воздействия перепада температуры, химически активных реагентов, ионизирующего излучения, механических усилий (в частности ударов и вибраций). Указанные факторы, могущие оказывать чрезвычайно вредное воздействие на электроизоляционные материалы, часто воздействуют одновременно. Это приводит к резкому ухудшению электро- и теплофизических свойств материалов.
Одновременно с усложнением условий эксплуатации существенно повышаются требования к надежности работы электроизоляционных устройств и радиоэлектронной аппаратуры, в очень большой степени определяемой надежностью их электрической изоляции, контактных соединений, полупроводниковых и диэлектрических активных элементов схемы.
Для устройств, аппаратуры, приборов, проводов и кабелей электропередачи установлены параметры характеризующие надежность и долговечность их работы. Это теплостойкость, термостойкость, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери ^8), разрывная прочность, деформационные свойства, теплофизические свойства (теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность) и т.п. Все эти параметры зависят от вида и качества используемых материалов.
В настоящее время при выборе материалов необходимо учитывать и то, обеспечат ли они возможность организации современного гибкого автоматизированного производства изделий, а также возможность создания автоматизированных систем управления технологическими процессами производства как самих изделий, так и устройств, в которых они будут использованы.
Из сказанного вытекает необходимость всестороннего исследования свойств новых материалов, по которым еще не накопился должный опыт эксплуатации, а также определения пригодности «старых» материалов в новых условиях работы.
АБС - пластики широко применяются в кабельной промышленности и приборостроении. Применение пластиков обусловлено высокой экономической эффективностью: высвобождением традиционных материалов, снижением энерго- и трудоёмкости изготовления продукции, упрощением решения комплекса инженерно-технологических задач [1 - 10].
Анализ научной и патентной литературы свидетельствует о том, что вопросу атмосферостойкости кабельных пластиков в условиях высокогорья и сухого жаркого климата уделено недостаточно внимания. Практика эксплуатации показывает высокую степень досрочного выхода из строя покрытия электропроводов и кабелей из пластмасс. Наблюдаются такие явления как коробления, растрескивание и разрушение, после чего эти покрытия уже не могут выполнять свои функции; приходят в негодность и подлежат замене.
Цель работы:
1. Разработка и создание автоматизированных систем измерения температуропроводности композиционных материалов на базе персонального компьютера.
2. Получение экспериментальных данных по теплофизическим и ..электрофизическим свойствам для изоляционных пластиков кабельных сетей, экспонированных в различных условиях (погодных, почвенных и др.).
7
3. Проведение анализа экспериментальных данных для получения расчетных уравнений, описывающих теплофизические и электрофизические свойства исследуемых объектов.
4. Разработка метода расчета и прогнозирование тепло- и электрофизических свойств изоляционных пластиков кабельных сетей в различных условиях.
5. Установление основных закономерностей процессов разрушения кабельных пластиков в различных климатических зонах Таджикистана.
6. Выяснение молекулярного механизма деструкции и возможность дополнительной стабилизации кабельных пластиков.
Нау чная новизна работы:
• Предложена математическая модель акалориметра, обогре-ваемого точечными источниками тепла.
• Получены расчетные соотношения для определения теплофизических свойств кабельных пластиков в различных условиях.
• Собрана и создана экспериментальная установка для исследования температуропроводности исследуемых объектов.
• Впервые проведены комплексные измерения теплофизических и электрофизических свойств кабельных пластиков.
• Получены обобщенные соотношения для расчета и прогнозирования тепло - и электрофизических свойств кабельных пластиков в различных климатических условиях.
• Впервые получена связь между механическими характеристиками и тепло -и электрофизическими свойствами кабельных пластиков.
Автор защищает:
• Расчетные соотношения для определения теплофизических и электрофизических свойств.
• Экспериментальную установку для измерения температуропроводности прозрачных композиционных материалов.
В
• Автоматизированные системы сбора, обработки первичных экспериментальных данных (температуропроводность) на базе измерительного комплекса АЦП - PCL 7118 и IBMPC.
• Результаты комплексных измерений термических, теплофизических и электрофизических свойств кабельных пластиков.
• Обобщенные зависимости для расчета и прогнозирования тепло - и электрофизических свойств неисследованных кабельных пластиков в различных условиях эксплуатации.
• Обобщенные уравнения корреляции между механическими и теплофизическими характеристиками исследуемых пластиков.
Практическая ценность работы:
Полученные научные результаты могут быть использованы при проектировании различных производств и аппаратов.
Предложенные обобщенные зависимости позволяют рассчитать значения теплофизических и электрофизических свойств неизученных кабельных пластиков.
Результаты измерений рекомендуются для инженерных расчетов химиических процессов и аппаратов для их проведения, для определения калорических параметров.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 154 страниц компьютерного текста, в том числе 63 рисунка и 30 таблиц. Список использованной литературы включает 206 наименований.
Содержание работы.
Во введении изложены предпосылки и основные проблемы исследования, обоснована актуальность работы,раскрыта структура диссертации.
В литературном обзоре (глава I) приведен анализ опубликованных работ по атмосферостойкости и стабилизации полистирольных пластиков, рассмотрены вопросы влияния состава и структуры кабельных пластикатов
9
ка их физико-механические свойства; приведены данные метеоусловий в климатических зонах испытаний.
Характеристика объектов и методы исследования описаны во второй
главе.
В третьей главе приведены экспериментальные результаты по изменению структуры и физико-механических свойств изоляции АБС-пластиков при фото-и атмосферно-механикоокислительных деструкциях.
Изложение результатов построено по следующей схеме: рассмотрены изменения деформационно-прочностных, диэлектрических, теплофизических, термических и электрофизических характеристик АБС-пластиков при естественно - климатическом старении, а также воздействии УФ и гамма облучения. Изучена длительная и кратковременная прочность образцов, приведены данные фрактографического анализа поверхностной структуры и ИК спектроскопических изменений АБС - пластиков в процессе старения.
В этой главе также приведены экспериментальные данные, характеризующие влияние стабилизирующих добавок на пластик, дано обоснование выбора диметилвинилэтинилкарбинола (ДМВЭК) в качестве реагента, способствующего повышению погодостойкости АБС - пластиков.
Комплексный подход при решении поставленных задач и использование ряда взаимодополняющих современных физико-механических методов исследований позволили расширить информацию о происходящих процессах разрушения при атмосферном старении покрытия проводов и кабелей из полимерных композиционных систем в условиях сухого жаркого климата и высокогорья. Исследования позволили установить степень участия поверхностного слоя в общем процессе старения и его вклад в механическую прочность.
В четвертой главе рассмотрена обработка экспериментальных данных по тепло-и электрофизическим свойствам исследуемых пластиков.
В закдючении подводятся итоги выполненного исследования.
10
В приложении приведены подробные таблицы сравнения, вычисленных по предложенным автором аппроксимационным зависимостям.
Работа выполнена в лаборатории “Теплотехники” кафедры “Теплотехника и теплотехнические оборудования” и кафедре “Физики” Таджикского технического университета им. академика М. С. Осими и лаборатории АОХК “Барки Точик”.
11
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТАРЕНИИ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
1.1. Влияние состава и структуры кабельных пластиков на стойкость к погодным условиям
В настоящем обзоре рассмотрены вопросы атмосферного старения электроизоляционных полимерных материалов, на примере, АБС- пластика, в эксплуатационных условиях, когда на него воздействует целый комплекс естественных дестабилизирующих факторов: солнечная радиация,
температура, кислород воздуха, атмосферная пыль, влажность, а также большие электрические напряжения и электромагнитные поля.
В научной литературе сополимеры стирола, акрилонитрила и полибутадиена, получившие название АБС- пластики, относят к полимерным композициям. Получают эти сополимеры путем сополимеризации прививки стирола, Ь -метилстирола, нитрила акриловой кислоты на полибутадиен или бутадиен - стирольные каучуковые латексы марок А1-12, А1-10, СКФ-32. АБС-пластики содержат 5-25% бутадиена или бутадиен стирольного каучука, 15-30 % акрилонитрила или стирола.
АБС-пластики получают путем смешения составных частей в расплаве. Наиболее распространенным способом получения АБС-пластиков является эмульсионная полимеризация, которая достигается сокоагуляцией латекса каучука с сополимером стирола и акрилонитрила. Такие сополимеры образуют ячеистую структуру частиц, при этом часть полимера образует вокруг частицы латекса оболочку, и в то же время мономер частично проникает внутрь латекса. Образуется структура ядро-оболочка, где стирол -бутадиеновая оболочка окружает полистирольное ядро, это наблюдается
даже в том случае, если бутадиена содержится в количестве около 1%. В такой системе четкой границы раздела двух фаз не наблюдается [11]. Полис-тирольный компонент образует непрерывную фазу, каучуковый компонент -дисперсную фазу, а на границе между этими фазами локализуется привитой сополимер бутадиена со стиролом [12]
Частицы АБС-пластика состоят из полибутадиен о во го ядра, диаметром около 0,5 мкм и САН оболочки толщиной 0,1 мкм [13].
Согласно работе Кириловой И.Э. с сотрудниками [14] способ получения пластика определяет их структуру, физико-механические свойства и прежде всего, размер и распределение каучуковой фазы. Изменяя количество компонентов, размер и число эластомерных частиц, можно получить материалы со специальными свойствами.
Регулируя молекулярную массу каучука и его изомерный состав, можно добиться получения различных типов структуры АБС-п.пастиков [15]. Иначе говоря направленный выбор типа каучука является одним из важнейших путей создания марок АБС- пластиков с заданными свойствами.
Белинской И.Д. с сотрудниками [16] было установлено, что зависимости от среднего размера частиц каучуковой фазы носят сложный характер и имеют экстремумы, соответствующие различным значениям б. В частности для АБС-Б самые высокие значения синхронно уменьшаются. Методом пиролитической газовой хроматографии были получены программы образцов АБС - пластика за 25-30 мин. Результат химического анализа хорошо совпадал с данными работы [17].
В таблице 1.1. приведены основные физико-механические характеристики полистирольных пластиков.
В эксплуатационных условиях на изделия и детали из полимерных материалов, как уже упоминалось, воздействует комплекс атмосферных факторов, которые различаются по климатическим зонам. Процессы происходящие в АБС-пластике под действием атмосферных факторов, сложны и
13
еще недостаточно изучены. Как и многие полимерные материалы, АБС-пластик
Таблица 1.1.
Основные показатели физико-механических свойств полистирольных пластиков [18,19].
Показатели ПС АБС
Прочность при разрыве, 6Р, МПа 40-45 40-60
Относительное удлинение при разрыве, е,э, % 1-2 20-40
Плотность, р х 103 кг/м3 1,05-1,1 1,05
Теплостойкость по ВИКа, К 373-378 373-398
Температура стеклова-ния эластичной фазы, К 175 175
подвержен окислительной деструкции. Более того было показано [20], что в первые месяцы старения накапливается максим&яьное количество кислородсодержащих групп, а в дальнейшем содержание С=0 групп резко уменьшается, при этом в результате окисления в каучуковой фазе исчезает граница между частицами каучука и матрицей сополимера.
Исследования физико-механических свойств сополимеров стирола с I -мет и л стирол ом во влажном жарком климате показали, что эти свойства сохраняются меньше 6 месяцев [21]. Это же было обнаружено в работе Уманского Э.С. с сотрудниками [22] при исследовании потерь деформационных свойств в условиях тропиков, когда образцы испытывались 12 месяцев .
Из всего спектра солнечных лучей особо вредными для пластиков является УФ излучение с длиной волны 290-400 нм хотя на этот диапазон приходится 5% солнечного излучения, падающего на поверхность Земли, большинство пластмасс способно поглощать радиацию именно" в этом диапазоне. Именно при естественных условиях эксплуатации в полимерных
материалах интенсивно развиваются процессы фотоокисления. В процессе
\
фотоокислительной деструкции образуются продукты, содержащие карбо-
14
- Київ+380960830922