Лымарь Виктория Витальевна

Факультет экологии и химических технологий

Кафедра химической технологии топлива

Специальность «Химическая технология топлива и углеродных материалов»

Исследование путей получения электретных материалов на основе вторичных пластиков

Научный руководитель: к.х.н., доц. Ошовский Владимир Владимирович

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор литературных источников
• 3.1 Основные сведения об электретах
• 3.2 Принципы получения электретов
• 3.3 Применение термоэлектретов
• 4.Экспериментальная часть
• 4.1 Описание экспериментальной установки
• 4.2 Проведение испытания
• Выводы
• Список источников

Введение

Электреты — электрические аналоги постоянных магнитов, в настоящее время нашли широкое применение. Диапазон их использования простирается от бытовой техники (широко известны высококачественные электретные микрофоны) до техники специального назначения (например, электретные дозиметры, электретные гидрофоны и т.п.). Практическая потребность получения электретов с заданными свойствами стимулировала и продолжает стимулировать физические исследования достаточно сложных явлений, лежащих в основе так называемого электретного состояния диэлектриков [1].

1. Актуальность темы

Полимерные материалы стремительно вошли и заняли значимое место в жизнедеятельности человека, пластмассы окружают нас на каждом шагу, начиная от упаковочной тары, пластиковой посуды и заканчивая строительными материалами и деталями техники и машин. Возможно, когда зародилась идея производить изделия из пластмасс она и носила исключительно положительный характер, так как внедрение пластиков позволило в значительной мере сократить потребление природных ресурсов. И в дополнение ко всему такое производство служит отличным источником доходов, ведь затраты на производство данных материалов минимальны, а их продажа приносит производителям колоссальную прибыль.

Не смотря на все положительные аспекты внедрения пластиков в быт человека, существует причина, по которой в последние годы ученые многих стран занимаются поиском путей утилизации и вторичной переработки пластиковых отходов, и заключается она в первую очередь в том, что для разложения полимерных материалов требуется не столетие, а темпы производства пластиков с каждым годом стремительно возрастают.

Одним из вариантов переработки пластмассовых отходов, является получение электретных материалов, которые затем могут быть использованы в качестве альтернативных источников энергии, производство которых на сегодняшний день играет не менее важную роль.

2.Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Основные задачи:

1) Проведение сравнительного анализа возможности использования различных видов отходов бытовых пластиков (упаковочная тара, ПЭТ и т.д.);

2) Проектирование установки для проведения электретирования полимера под высоким напряжением;

3) Создание термоэлектрета на основе природных диэлектриков для дальнейшего исследования и сравнения свойств, которыми обладают «искусственные» и «естественные» электреты;.

4) Анализ характеристик электретов изготовленных из различных полимерных композиций;

5) Практическое применение полученных образцов.

Ожидаемые результаты: В результате исследования планируется получить термоэлектрет обладающий «квазипостоянным» электрическим полем, на основе которого будут изготовлены опытные образцы для наглядной демонстрации свойств, которыми обладает электрет.

3. Обзор литературных источников

3.1 Основные сведения об электретах

В истории науки известны случаи, когда проведение некоторых аналогий между различными по своей природе, но имеющими формальное внешнее сходство явлениями способствовало открытию новых эффектов.

Еще в 1732 г. С. Грей упоминал электретное поведение диэлектриков, указывая на «вечную силу притяжения» некоторых из них, особенно восков, смол и серы. Статическое электричество у этих материалов он получал путем контактной электризации при охлаждении их расплавов в железных тиглях.

Более чем через столетие, в 1839 г. электретные свойства, вызванные наложением внешнего электрического поля, привлекли внимание Фарадея, который в своих теоретических описаниях ссылался на некий «диэлектрик, сохраняющий электрический момент после выключения внешнего поля». Впервые термин «электрет» стал употреблять О.Хевисайд в 1892 году[2].

Электрет — это диэлектрик, имеющий на поверхности электрические заряды, длительно сохраняющиеся во времени. Электретные свойства полимеров тесно связаны с электростатическими свойствами, и, по существу, их можно было бы рассматривать вместе. Однако в процессе развития науки об электретах оказалось, что для разработки электретов с высокими параметрами теория электростатических свойств диэлектриков может быть использована только весьма ограниченно, и наоборот именно развитие науки об электретах внесло свой вклад в развитие представлений об электростатических явлениях в диэлектриках. В процессе исследований электретов было найдено так много нового, что оправдано рассмотрение электретных свойств отдельно от электростатических, тем более, что электростатические свойства рассматриваются преимущественно как нечто отрицательное, мешающее производственным процессам, приводящее к пожарам, браку, а электретные — как положительные характеристики, обусловливающие пригодность диэлектрика для изготовления изделий [3].

Если электростатические заряды возникают преимущественно случайно, то электретные — в результате специальной обработки диэлектрика. В зависимости от технологии получения существуют различные типы электретов:

– Термоэлектреты — получают охлаждением предварительно нагретых диэлектриков в электрическом поле высокой напряженности до температур ниже температуры стеклования или отверждения;

– Криоэлектреты — получают высушиванием раствора диэлектрика в электрическом поле (без предварительного нагревания);

– Радиационные электреты — получают облучением диэлектриков заряженными частицами (электронами, протонами), а также нейтральными частицами или γ-излучением при одновременном или последующем воздействии постоянного электрического поля;

– Короноэлектреты — получают заряжением в коронном разряде при нагревании или без нагревания;

– Электроэлектреты — получают воздействием (без нагревания) на диэлектрик постоянного электрического поля с напряженностью, близкой к пробивной;

– Хемоэлектреты — получают химическим сшиванием (вулканизацией) полимерных диэлектриков в электрическом поле или полимеризацией в электрическом поле;

– Механоэлектреты — получают прессованием или другими способами формования полимерных образцов без воздействия электрического поля от внешнего источника;

– Магнетоэлектреты — получают при термомагнитной обработке диэлектриков без воздействия электрического поля от внешнего источника.

Электреты имеют на своих поверхностях равные и противоположные заряды, однако в последнее время появились так называемые моноэлектреты — образцы диэлектриков, имеющие равные заряды одного и того же знака с разных сторон. Стабильность электретных зарядов обеспечивается (помимо низкой электропроводности электретных материалов и большого времени релаксации дипольной ориентации) наличием противозарядов на противоположной заряженной поверхности или на электродах, находящихся вблизи заряженной поверхности. В этих случаях емкость системы резко возрастает, и соответственно растет время релаксации.

Электреты, получаемые после статической электризации или трения, называют иногда "статическими электретами" или "трибоэлектретами".

Кроме перечисленных способов получения электретов существует еще способ заряжения с применением жидких электродов, по которым высокое напряжение подводится с одной стороны к напыленному на поверхность полимера металлическому электроду, а с другой — к жидкости, омывающей противоположную поверхность. Затем жидкость сливают, поверхность высушивают, и получается электрет с потенциалом поверхности, точно соответствующим подаваемому напряжению.

Все электреты можно разделить на две группы: электреты, обладающие дипольными зарядами, и электреты, обладающие инжектированными извне зарядами. В первом случае знак заряда на поверхности противоположен знаку напряжения на прилегающем электроде, поэтому этот вид зарядов называют также гетерозарядом; во втором случае знак заряда на поверхности тот же, что и напряжение на прилегающем электроде, этот заряд называют гомозарядом. Однако гетерозаряд может возникать не только в результате дипольной ориентации, но и от смещения ионов в процессе поляризации [4] .

3.2 Принципы получения электретов

Электреты с истинной, ориентационной дипольной поляризацией получают из полярных диэлектриков, в которых молекулы, группы атомов, звенья, сегменты и т.п. структурные и кинетические единицы имеют постоянный дипольный момент [7] .

В качестве таких диэлектриков могут служить смолы, отдельные полимерные материалы (ПММА — оргстекло, ПВДФ, ПК и др.). Последние применяются в современных условиях чаще всего [6]. Наличие постоянного дипольного момента недостаточно для получения электрета. Важным условием является то, чтобы кинетическая единица, несущая дипольный момент, при «нормальных», комнатных температурах не могла совершать повороты на большие углы, а совершала бы небольшие колебания около положения равновесия. Только тогда поляризованное состояние диэлектрика может сохраняться длительное время [8] .

Если в данном полимерном диэлектрике наибольший постоянный дипольный момент имеет сегмент, то ориентация таких диполей во внешнем электрическом поле будет возможна только при Т > Тс (Тс — температура стеклования аморфной фазы полимера). После охлаждения в поле до Т < Тс сегменты, а вместе с ними и дипольные моменты «застынут» в ориентированном состоянии, а образец в целом приобретет поляризацию — получится электрет. Если же дипольные моменты сегментов равны нулю, а отличны от нуля у боковых групп, электрет может быть получен, если диэлектрик выдержать в поле при температуре выше точки релаксационного перехода, при котором размораживается подвижность боковых групп, а затем охладить в поле до температур, лежащих ниже области перехода [5, 7, 8].

Электреты с истинной ориентационной дипольной поляризацией, полученные по данному способу, называют термоэлектретами. Схема их получения отражена на рисунке 1 [5]:

Электреты с объемно-зарядовой поляризацией (ОЗП) получают по следующей схеме. В диэлектрике путем внешнего воздействия (нагревания, освещения, рентгеновского облучения) вызывают появление пар носителей заряда (электрон-дырка, положительный ион-отрицательный ион). Прикладывают внешнее электрическое поле, которое разводит носители в противо¬положные стороны. Эти носители накапливаются у границ диэлектрика, на фазовых границах и неоднородностях часть из них захватывается ловушками — электрически активными дефектами материала, способными захватывать и удерживать носитель заряд.

Ловушками электронов и дырок могут служить дефекты кристаллической решетки — примесные атомы, вакансии и др., отдельные группы атомов, имеющие положительное сродство к электрону или дырке (последнее означает, что присоединение электрона либо дырки к данному атому или группе атомов энергетически выгодно). Для носителей заряда ионной природы ловушками могут служить «полости» между макромолекулами в аморфных полимерах и аморфных прослойках частично-кристаллических полимеров, дефекты кристаллитов и др. неоднородности, препятствующие движению иона. Природа ловушек в ряде материалов не выяснена до конца.

Для кристаллических веществ, применима зонная теория. С точки зрения этой теории ловушке соответствует энергетический уровень, лежащий в запрещенной зоне диэлектрика, причем достаточно удаленный от «дна» зоны проводимости или «потолка» валентной (рис. 2):

Если энергетический «зазор» составляет менее 1 эВ, ловушка считается мелкой, а при значениях, больших 1 эВ — глубокой. Энергетическая «глубина» ловушки часто называется энергией активации ловушки (Еa) — Это минимальная энергия, которую необходимо сообщить носителю заряда, находящемуся в ловушке, для его освобождения — перехода в зону проводимости. Деление ловушек на мелкие и глубокие достаточно условно. Глубокие ловушки при комнатной температуре могут удерживать носитель, попавший на такой уровень, несколько месяцев и даже лет. При повышении температуры вероятность выхода носителя из ловушки (wt,) резко возрастает:

где k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура, Еа — энергия активации ловушки.

Носители, попавшие на ловушки, останутся там и после выключения электрического поля и внешнего воздействия, приводившего к генерации пар носителей заряда. Получится электрет (рис. 3), у противоположных поверхностей которого будет пространственный электрический заряд разного знака. В образце будет сущест¬вовать внутреннее электрическое поле, которое стремится соединить, вновь «смешать» разделенные внешним полем заряды. Но этому препятствуют ловушки, удерживающие носители.

Состояние электрета, как и в случае истинной поляризации, неравновесно. Отдельные носители, случайно, в результате флуктуации получившие энергию, достаточную для перехода в зону проводимости (или валентную — для дырок), будут освобождаться, и двигаться во внутреннем поле электрета. В результате будет происходить релаксация ОЗП. С ростом температуры релаксация ускоряется.

Электреты с избыточным внедренным зарядом наиболее широко применяются в практических целях. Их, получают в результате электризации нейтрального диэлектрика. Электризация сводится к внедрению в образец извне носителей заряда определенного знака (или обоих знаков), либо отрыву электронов от образца, в результате которого он приобретает нескомпенсированный отрицательный или положительный заряд [3, 4, 5, 7, 8].

3.3 Применение термоэлектретов

Электреты, и в частности термоэлектреты, находят применение:

1) как диэлектрики, являющиеся источником внешнего электрического поля,

2) как диэлектрики, обладающие внутренней поляризацией,

3) как пьезоэлектрики,

4) как пироэлектрики.

Как диэлектрики — источники внешнего электрического поля электреты широко применяются в фильтрах, для управления электронными пучками, в частности для их фокусировки, в электромеханических преобразователях — микрофонах, вибродатчиках.

Наибольшее распространение получили электретные конденсаторные микрофоны, которые выпускаются в миллионах штук в год. Их применение значительно упрощает конструкцию, позволяет уменьшить размеры микрофонов до размеров ~5 мм при одновременном повышении их качества (так, линейность характеристик промышленно выпускаемых микрофонов сохраняется в диапазоне 50 — 16 000 Гц). Изготавливают и специальные электретные микрофоны для исследования ультразвука и инфразвука . Широкое распространение получили электретные волокнистые фильтры L90J, выпускаемые за рубежом под названием “фильтрет”. Эти фильтры дешевы, в несколько раз эффективнее ранее применяемых волокнистых фильтров, эффективны для защиты органов дыхания от производственной, радиоактивной пыли.

Придание электретных свойств искусственным кровеносным сосудам и деталям искусственного сердца снижает тромбообразование.

Во втором своем качестве электреты могут применяться как своеобразные аккумуляторы. Нагревание электрета, например в аварийной ситуации, может дать ток ТСД, достаточный для питания радиопередатчика.

Как пьезоэлектрики полимерные электреты применяются в стереонаушниках, звукоснимателях, зажигалках, для изготовления вентиляторов. В настоящее время запатентовано более 40 различных примеров применения пьезоэлектрической полимерной пленки только из поливинилиденфторида. Особый интерес представляет использование ее в гидроакустике, в системах переключения в волоконной оптике, для генерации фокусированных ультразвуковых сигналов, для предотвращения обрастания корпусов кораблей водорослями и моллюсками .

В качестве пироэлектриков перспективно применение полимерных электретов (например, на основе полиакрилонитрила) для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую для визуализации инфракрасного излучения (поливинилиденфторид) в различных пиродатчиках и других областях [9].

Электреты так же могут быть использованы в качестве непосредственных источников энергии. Работа электретных источников энергии в большинстве случаев основана на индуцировании переменного тока в постоянном электрическом поле электрета либо на взаимодействии полей электрета и электродов. В немногих случаях поле электрета используют непосредственно. Электреты нашли применение в следующих основных типах источников энергии.

Полностью бестоковый электромотор электретно-механического типа со шторками.

Электретный мотор состоит из корпуса 1 с укрепленными по его краям двумя неподвижными статорными электретами 2 4; их подвижного электретного ротора 3 дополненного механизмом подъема (8 — 10); двух экранирующих шторок 5 6. Электретный ротор 3 совершает возвратно-колебательные движения между неподвижными электретами 2, 4. На рисунке 4 показано, что электрет 3 электрическими силами отталкивания от электрета 2 движется к закрытому шторкой неподвижному электрету 4. При этом шторка 5 начинает посредством системы шестерен 8, 9, 10 опускаться на коромысле 7 и экранируя собою электрет 2.

А экранирующая шторка 6 — напротив — поднимается и открывает второй неподвижный электрет 4. И электретный ротор 3 останавливается и начинает вследствие возникновения электрических сил отталкивания электретов 3 и 4 свое повторное возвратное движение к электрету 2. И далее процесс движения ротора 3 автоматически повторяется. По сути это колебательный электродвигатель с использованием потенциальной энергии электрического поля электретов 2, 3, 4 работающий на электрических силах отталкивания одноименных зарядов т.е. на силах Кулона.

Комбинированный мотор-генератор поступательно-вращательного типа (рис.5). Посредством потенциальной энергии электрического поля можно одновременно получать оба эти вида энергии (и кинетическую энергию движения, например энергию вращения и одновременно электроэнергию). Регулирование величины вырабатываемой кинетической энергии и электроэнергии в нагрузке из потенциальной энергии электрического поля достигают изменением величины напряженности исходного или наведенного электрического поля или величины электрического заряда. Рассмотрим такое устройство:

На рисунке 5 показан простейший многофункциональный мотор – генератор. Он состоит из вращающегося сегментного электретного диска(8,10) и двух электретов 3, 4 размещенных в вертикальной колонне 1. Причем подвижный электрет 3 при его отталкивании от неподвижного электрета 4 совершает возвратно-поступательные движения который обеспечивают через передаточный механизм 9 непрерывное вращение сегментного электретного диска (8,10). В результате этого вращательного движения электретного диска возникает э.д.с. электрической индукции и генерация электроэнергии. Причем параметры генерируемой электрическим полем подвижных электретов электроэнергии и величину кинетической энергии движения этих тел можно регулировать изменением параметров устройства и параметрами первичного электрического поля. Устройство (рис.5) апробировано на действующих моделях и доказало свою работоспособность [10].

4. Экспериментальная часть

4.1 Описание экспериментальной установки

Одним из основных элементов экспериментальной установки (рис. 6) является электропечь 1 с прибором для задания и поддержания на заданном уровне температуры поверхности нагрева 2. На печь помещается металлический цилиндр 3, внутри которого будет проводиться процесс плавления и электретирования полимерного композита.

На поверхность материала 4 накладывается конструкция, состоящая из металлического диска 5, штока с иглой 6 и пружины 7. Пружина и диск необходимы для выравнивания поверхности образца в процессе плавления.

Для минимизации теплообмена с окружающей средой цилиндр накрывается крышкой 8, а затем сверху на шток надевается фиксатор хода 9. Одновременно с плавлением проводится электретирование, для этого к корпусу цилиндра 3 и концу штока 6 крепятся электроды ведущие ток от генератора высоких напряжений 10 к установке.

4.2 Проведение испытания

Испытание проводится в несколько этапов.

1 этап: Создание образца из природных полимеров. В качестве природных полимеров взяты воск и канифоль в соотношении 35: 65 %. Данный способ изготовления электретов широко распространен, и подробно описан в литературном источнике [7].

«Природный» электрет служит образцом для сравнения основных показателей, таких как напряженность электрического поля и поверхностная плотность заряда.

2 этап: Разработка полимерной композиции, электретирование, измерение основных показателей и анализ полученных результатов.

3 этап: реализация практического применения изготовленных электретов.

Выводы

Получение электретных материалов из полимеров может рассматриваться как один из путей решения задачи об утилизации пластиковых бытовых отходов, об этом свидетельствуют результаты экспериментов многих ученых работающих в данном направлении.

При написании данного реферата экспериментальная часть магистерской работы находится в стадии выполнения. Полное описание экспериментов и результатов их проведения может быть получено у автора или научного руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Гороховатский  Ю. А. Электретный эффект и его применение . [Электронный ресурс]. — Режим доступа: Соросовский образовательный журнал, №8 ,1997.
2. Мяздриков  О.А., Манойлов  В.Е. Электреты. — М.; Л.: Госкомэнергоиздат, 1962. — 99 с .
3. Лущейкин  Г.А. Полимерные электреты — М.: Химия, 1984. — 184 с.
4. Лущейкин  Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров. — М.:Химия, 1988. — 160 с.
5. Беляев  И.П., Дружинин  В.П., Рожков  И.Н. Электретный эффект. — Оренбург:ОГПИ, 1997. — 126 с.
6. Бартенев  Г.М., Зеленев  Ю.В. Физика и механика полимеров. — М.: Высш. Школа,1983. — 391 с.
7. Губкин  А.Н. Электреты. — М.:Наука, 1978. — 192 с.
8. Сесслер  Г. Электреты. — М.: Мир, 1983. — 487 с.
9. Лущейкин  Г.А. Электретный эффект в полимерах. Достижения в получении и применении электретов. // Успехи химии. 1983. — Т. 52. — Вып. 8. — с. 1410—1431.
10. Дудышев  В.Д. Новые методы извлечения скрытой энергии потенциального электрического поля в кинетическую энергию и электроэнергию. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: Изобретения Дудышева