ДонНТУ   Портал магистров

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Електрети — електричні аналоги постійних магнітів - нині знайшли широке застосування. Діапазон їх використання тягнеться від побутової техніки (широко відомі високоякісні електретні мікрофони) до техніки спеціального призначення (наприклад, електретні дозиметри, електретні гідрофони і тому подібне). Практична потреба отримання электретів із заданими властивостями стимулювала і продовжує стимулювати фізичні дослідження досить складних явищ, що лежать в основі так званого електретного стану діелектриків [1].

1. Актуальність теми

Полімерні матеріали нестримно увійшли і зайняли значиме місце в життєдіяльності людини, пластмаси оточують нас на кожному кроці, починаючи від пакувальної тари, пластикового посуду і закінчуючи будівельними матеріалами і деталями техніки і машин. Можливо, коли зародилася ідея робити вироби з пластмас вона і носила виключно позитивний характер, оскільки впровадження пластиків дозволило значною мірою скоротити споживання природних ресурсів. І на додаток до всього таке виробництво служить відмінним джерелом доходів, адже витрати на виробництво цих матеріалів мінімальні, а їх продаж приносить виробникам колосальний прибуток.

Не дивлячись на усі позитивні аспекти впровадження пластиків в побут людини, існує причина, по якій останніми роками вчені багатьох країн займаються пошуком шляхів утилізації і вторинної переробки пластикових відходів, і полягає вона в першу чергу в тому, що для розкладання полімерних матеріалів потрібно не століття, а темпи виробництва пластиків з кожним роком нестримно зростають.

Одним з варіантів переробки пластмасових відходів, являється отримання електретних матеріалів, які потім можуть бути використані в якості альтернативних джерел енергії, виробництво яких на сьогодні грає не менш важливу роль.

2.Мета і завдання дослідження, плановані результати

Основні задачі:

1) Проведення порівняльного аналізу можливості використання різних видів відходів побутових пластиків (пакувальна тара, ПЕТ і так далі);

2) Проектування установки для проведення электретирування полімеру під високою напругою;

3) Створення термоелектрета на основі природних діелектриків для подальшого дослідження і порівняння властивостей, які мають "штучні" і " природні" електрети;

4) Аналіз характеристик електретів виготовлених з різних полімерних композицій;

5) Практичне застосування отриманих зразків.

Очікувані результати: В результаті дослідження планується отримати термоелектрет що має "квазіпостійне" електричне поле, на основі якого будуть виготовлені дослідні зразки для наочної демонстрації властивостей, які має електрет.

3. Огляд літературних джерел

3.1 Основні відомості про електрети

В історії науки відомі випадки, коли проведення деяких аналогій між явищами, які є різними за своєю природою, але мають формальну зовнішню схожість, сприяло відкриттю нових ефектів.

Ще в 1732 р. С. Грей згадував електретну поведінку діелектриків, вказуючи на "вічну силу тяжіння" деяких з них, особливо воску, смол і сірки. Статичну електрику у цих матеріалів він отримував шляхом контактної електризації при охолодженні їх розплавів в залізних тиглях.

Більш ніж через століття, в 1839 р. електретні властивості, викликані накладенням зовнішнього електричного поля, притягнули увагу Фарадея, який у своїх теоретичних описах посилався на деякий "діелектрик, що зберігає електричний момент після виключення зовнішнього поля". Вперше термін " електрет" став використовувати О.Хевисайд в 1892 році [2].

Електрет — це діелектрик, що має на поверхні електричні заряди, які тривало зберігаються в часі. Електретні властивості полімерів тісно пов'язані з електростатичними властивостями, і, по суті, їх можна було б розглядати разом. Проте в процесі розвитку науки про електрети виявилось, що для розробки електретів з високими параметрами теорія електростатичних властивостей діелектриків може бути використана тільки дуже обмежено, і навпаки саме розвиток науки про електрети вніс свій внесок у розвиток уявлень про електростатичні явища в діелектриках.В процесі досліджень електретів було знайдено так багато нового, що виправдало розгляд електретних властивостей окремо від електростатичних, тим більше, що електростатичні властивості розглядаються переважно як щось негативне, що заважає виробничим процесам, що приводить до пожеж, дефектів, а електретні — як позитивні характеристики, що обумовлюють придатність діелектрика для виготовлення виробів [3].

Якщо електростатичні заряди виникають переважно випадково, то електретні — в результаті спеціальної обробки діелектрика. Залежно від технології отримання існують різні типи електретів:

– Термоелектрети — отримують охолодженням попередньо нагрітих діелектриків в електричному полі високої напруги до температур нижче температури склування або затвердіння;

– Криоелектрети — отримують висушуванням розчину діелектрика в електричному полі (без попереднього нагрівання);

– Радіаційні електрети — отримують опроміненням діелектриків зарядженими частинками (електронами, протонами), а також нейтральними частинками або γ-випромінюванням при одночасному чи наступному впливі постійного електричного поля;

– Короноелектрети — отримують зарядженням в коронному розряді при нагріванні або без нагрівання;

– Електроелектрети — отримують дією (без нагрівання) на діелектрик постійного електричного поля з напруженістю, близькою до пробивної;

– Хемоелектрети — отримують хімічним зшиванням (вулканізацією) полімерних діелектриків в електричному полі або полімеризацією в електричному полі;

– Механоелектрети — отримують пресуванням або іншими способами формування полімерних зразків без впливу електричного поля від зовнішнього джерела;

– Магнетоелектрети — отримують при термомагнитній обробці діелектриків без впливу електричного поля від зовнішнього джерела.

Електрети мають на своїх поверхнях рівні і протилежні заряди, проте останнім часом з'явилися так звані моноелектрети — зразки діелектриків, що мають однакові заряди одного і того ж знака з різних сторін. Стабільність електретних зарядів забезпечується (окрім низької електропровідності електретних матеріалів і великого часу релаксації дипольної орієнтації) наявністю противозарядів на протилежній зарядженої поверхні або на електродах, що знаходяться поблизу зарядженої поверхні. У цих випадках ємність системи різко зростає, і відповідно зростає час релаксації.

Електрети, одержувані після статичної електризації або тертя, називають іноді "статичними електретами" або "трибоелектретами".

Крім перелічених способів отримання електретів існує ще спосіб зарядження із застосуванням рідких електродів, за якими висока напруга підводиться з одного боку до напиленого на поверхню полімеру металевого електроду, а з іншого — до рідини, що омиває протилежну поверхню. Потім рідину зливають, поверхню висушують і виходить електрет з потенціалом поверхні, точно відповідним напрузі яка подається.

Всі електрети можна розділити на дві групи: електрети, які мають дипольні заряди, і електрети, які мають інжектовані ззовні заряди. У першому випадку знак заряду на поверхні протилежний знаку напруги на прилеглому електроді, тому цей вид зарядів називають також гетерозарядом; у другому випадку знак заряду на поверхні той же, що і напруга на прилеглому електроді, цей заряд називають гомозарядом. Однак гетерозаряд може виникати не тільки в результаті дипольної орієнтації, але і від зміщення іонів в процесі поляризації [4] .

3.2 Застосування термоелектретів

Електрети, і зокрема термоелектрети, знаходять застосування:

1) як діелектрики, які є джерелом зовнішнього електричного поля,

2) як діелектрики, які мають внутрішню поляризацію,

3) як п'єзоелектрики,

4) як пiроелектрики.

Як діелектрики — джерела зовнішнього електричного поля електрети широко застосовуються в фільтрах, для управління електронними пучками, зокрема для їх фокусування, в електромеханічних перетворювачах —мікрофонах, вібродатчиках.

Найбільше поширення отримали електретні конденсаторні мікрофони, які випускаються в мільйонах штук в рік. Їх застосування значно спрощує конструкцію, що дозволяє зменшити розміри мікрофонів до розмірів ~5 мм при одночасному підвищенні їх якості (так, лінійність характеристик промислово випускаються мікрофонів зберігається в діапазоні 50 — 16 000 Гц). Виготовляють і спеціальні електретні мікрофони для дослідження ультразвуку та інфразвуку . Широке поширення отримали електретні волокнисті фільтри L90J, що випускаються за кордоном під назвою "фильтрет". Ці фільтри дешеві, в кілька разів ефективніше раніше застосовуваних волокнистих фільтрів, ефективні для захисту органів дихання від виробничої, радіоактивного пилу.

Надання електретних властивостей штучним кровоносним судинам і деталям штучного серця знижує тромбоутворення.

Електрети можуть застосовуватися як своєрідні акумулятори. Нагрівання електрета, наприклад в аварійній ситуації, може дати струм ТСД, достатній для живлення радіопередавача.

Як п'єзоелектрики полімерні електрети застосовуються в стереонавушниках, звукознімачах, запальничках, для виготовлення вентиляторів. В даний час запатентовано понад 40 різних прикладів застосування п'єзоелектричної полімерної плівки лише з полівініліденфториду. Особливий інтерес представляє використання її у гидроакустиці, в системах перемикання в волоконної оптики, для генерації фокусованих ультразвукових сигналів, для запобігання обростання корпусів кораблів водоростями і молюсками .

В якості піроелектриків перспективне застосування полімерних електретів (наприклад, на основі поліакрилонітрилу) для прямого перетворення сонячної енергії в електричну для візуалізації інфрачервоного випромінювання (полівініліденфторид) в різних піродатчиках та інших областях [9].

4. Експериментальна частина

4.1 Опис експериментальної установки

Одним з основних елементів експериментальної установки (рис. 1) є електропіч 1 з приладом для визначення і підтримки на заданому рівні температури поверхні нагріву 2. На піч поміщається металевий циліндр 3, всередині якого буде проводитись процес плавлення і электретирования полімерного композиту.

На поверхню матеріалу 4 накладається конструкція, що складається з металевого диска 5, штока з голкою 6 і пружини 7. Пружина і диск необхідні для вирівнювання поверхні зразка в процесі плавлення.

Для мінімізації теплообміну з навколишнім середовищем циліндр накривається кришкою 8, а потім зверху на шток надівається фіксатор ходу 9. Одночасно з плавленням проводиться электретирування, для цього до корпусу циліндра 3 і кінця штока 6 кріпляться електроди провідні струм від генератора високих напруг 10 до установки.

Экспериментальная установка

1 —електропіч, 2 — задавач температури,3 — металевий циліндр; 4 —поверхня розплавленого материалу, 5 — металевий диск, 6 — шток з голкою, 7 — пружина, 8 — кришка циліндру, 9 — фіксатор ходу, 10 — генератор високих напружень

Рисунок 1 — Експериментальна установка
(анімація: 8 кадрів, 10 циклів повторння, 28,1 кілобайт)

4.2 Проведення випробування

Випробування проводиться в кілька етапів.

1 етап: Створення зразка з природних полімерів. В якості природних полімерів взяті віск і каніфоль у співвідношенні 35: 65 %. Даний спосіб виготовлення електрети широко поширений, і докладно описаний у літературному джерелі [7].

«Природний» електрет служить зразком для порівняння основних показників, таких як напруженість електричного поля і поверхнева щільність заряду.

2 етап: Розробка полімерної композиції, електретирування, вимірювання основних показників та аналіз отриманих результатів.

3 етап: реалізація практичного застосування виготовлених електрети.

Висновки

Отримання електретних матеріалів з полімерів може розглядатися як один із шляхів вирішення задачі про утилізацію пластикових побутових відходів, про це свідчать результати експериментів багатьох вчених, що працюють в даному напрямку.

При написанні даного реферату експериментальна частина магістерської роботи знаходиться в стадії виконання. Повний опис експериментів і результатів їх проведення може бути отримано у автора або наукового керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  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