CC BY
23TECHNICAL SCIENCES
NONWOVEN FIBROUS RADAR ABSORBING MATERIALS BASED ON POLYETHYLENE
Bannyi V.A.
Ph.D. of Engineering Sciences, Assoc. Prof.
Gomel State Medical University Republic of Belarus 246000, Gomel, st. Lange, 5
НЕТКАНЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ РАДИОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ
ПОЛИЭТИЛЕНА
Банный В.А.
к.т.н., доцент УО «Гомельский государственный медицинский университет» 246000, г. Гомель, ул. Ланге, 5 Республика Беларусь
Abstract
New nonwoven fibrous radar absorbing materials (RAM) were formed from polyethylene and functional fillers by processing it into products (screens, radioabsorbing elements) by the melt blowing method. Recepe, structural and dimensional parameters of fibrous RAM are optimized according to the criterion of attenuation of the energy of electromagnetic radiation in the selected microwave region. Radiophysical and structural characteristics of composite nonwoven RAM were evaluated using a set of physicochemical methods. Such RAM are elastic, flexible and have a low density and intended for the production of radioprotective clothing and camouflage coatings.
Аннотация
Новые нетканые волокнистые радиопоглощающие материалы (РПМ) формировали из функционально-наполненного полиэтилена путем его переработки в изделия (полотна, формоустойчивые радиопоглощающие элементы) методом пневмораспыления композитного расплава (метод melt blowing). Рецептурные, структурные и размерные параметры волокнистых РПМ оптимизированы по критерию ослабления энергии электромагнитного излучения в выбранной области СВЧ. Такие РПМ, предназначенные для изготовления радиозащитной одежды, камуфляжных покрытий, элементов некоторых строительных конструкций, обладают низкой удельной массой, гибкостью, эластичностью, способностью принимать сложную форму.
Keywords: SHF radiation, electromagnetic safety, radar absorbing material, polymeric composite, polyethylene, nonwoven fibrous screen
Ключевые слова: СВЧ-излучение, электромагнитная безопасность, радиопоглощающий материал, полимерный композит, полиэтилен, нетканое волокнистое полотно
Введение. Массовая эксплуатация радиотехнических устройств СВЧ породила глобальную проблему электромагнитной безопасности, а также технические проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронной техники и систем защиты информации. [1] Радиопоглощающие материалы (РПМ), первоначально применявшиеся лишь при конструировании объектов военной техники, малозаметных для радиолокационных систем обнаружения, стали эффективным средством решения этих проблем. РПМ на основе функционально-наполненных термопластов по технологическим и технико-экономическим критериям вошли в ряд наиболее перспективных средств радиозащиты. Природа наполнителя, его дисперсность, а также технология формирования композита оказывают значительное влияние на радиофизические характеристики полимерного РМП. [2, 3]
Основная часть. В работе [4] представлен оригинальный способ изготовления волокнистых материалов на основе функционально-наполненных термопластов по технологии пневмораспыления композитного расплава (melt blowing). Способ состоит в экструзии гранулированной смеси полимера и функционального наполнителя (ФН) с последующей вытяжкой волокон газовым потоком и их осаждением на формообразующей подложке в виде нетканой волокнистой массы (рис. 1). С использованием этой технологии изготовлены нетканые волокнистые РПМ.
Основная идея создания melt-blown волокнистых РПМ состояла в регулировании структуры материала, поглощающего энергию электромагнитного излучения (ЭМИ) СВЧ диапазона, на двух уровнях. Первый уровень - волокнистая структура нетканого полотна; второй - степень наполнения
волокон наполнителем с высокой магнитнои проницаемостью.
Объектами исследования служили листовые волокнистые РПМ на основе полиэтилена (ПЭ, ГОСТ 16337-77, ГОСТ 16803-070). В качестве ФН использованы дисперсный магнитно-мягкий марганец-цинковый феррит (ММФ, ТУ 6-09-5111-84, марка 2500 НМС), карбонильное железо (КЖ, ТУ 6-
1
09-300-78), никель (Ni, ГОСТ 9722-78). Размер частиц ФН был ограничен технологическими возможностями процесса melt blowing и для ММФ не превышал 50 мкм.
Измельчение феррита проводили на дисковой мельнице с последующим отсевом необходимой фракции. Использование частиц наполнителя большего размера приводило к засорению распылительной головки экструдера.
• 41
grad Т
Рис. 1. Схема изготовления волокнистых композитных РПМ на базе технологии melt blowing. 1 - композитные полимерные гранулы; 2 - экструдер; 3 - распылительная головка; 4 - газо-полимерный поток; 5 - формообразующая подложка; 6 - углеродная нить; 7 - волокнистая масса; 8 - сжатый воздух.
Контролируемыми технологическими параметрами процесса melt blowing являлись распределение температур по зонам экструдера (grad Т) и распылительной головки (Т1); частота (n) вращения шнека экструдера; давление (Р) и температура (Т2) распыляющего воздуха; расстояние (L) от распылительной головки до подложки. При изготовлении наполненного ферритом волокнистого ПЭ эти параметры изменяли в следующих пределах : grad T = 190-280 °C; T1 = 380 °C; T2 = 50 °C; n = 20-25 мин -Р = 100-150 кПа; L = 15-25 см.
По описанному способу были изготовлены волокнистые РПМ с постоянным содержанием, а также с градиентом концентрации ФН по толщине полотна. Градиентное распределение частиц наполнителя в РПМ обеспечивает хорошее согласование его волнового сопротивления с воздушным про-
странством. РПМ этого типа характеризуются повышенной эффективностью радиопоглощения в широком СВЧ диапазоне при различных углах падения электромагнитных волн. Melt blowing позволяет вводить в полимерную матрицу в процессе производства волокнистых РПМ армирующие элементы - углеродные или металлические нити, углеродные ткани и металлические сетки различной структуры и электропроводности. Эти операции не требуют дополнительных приемов по скреплению волокон с армирующими элементами.
По данным электронно-микроскопических исследований нетканые melt-blown РПМ представляют собой совокупность наполненных полимерных волокон, когезионно связанных в местах контакта. Частицы наполнителя (ММФ с размером частиц не более 50 мкм или порошки металлов - Ni, КЖ) закапсулированы внутри волокон (рис. 2).
Рис.2. Электронно-микроскопические изображения: а -melt-blown РПМсостава ПЭ + ММФ (38 % масс); б - поперечный срез.
Исследуемые волокнистые РПМ на основе наполненного ПЭ являются гетерогенными системами. Они состоят из трех фаз: волокнистой полимерной матрицы, наполняющей ее фазы частиц ММФ, и совокупности воздушных пустот - сквозных извилистых пор. Очевидно, радиофизические, акустические и теплофизические характеристики волокнистых композитных РПМ определяются как природой и концентрацией ФН, так и параметрами волокнисто-пористой структуры материала. К последним относятся: распределение по диаметрам и средний диаметр волокон, объемная плотность и общая пористость материала, удельная поверхность волокон и т.п. Высокая степень наполнения волокон (38 % масс), большой размер частиц (до 50 мкм) ММФ и связанные с этим сложности формирования качественной волокнистой структуры по технологии melt blowing не позволили проанализировать взаимосвязь радиофизических характеристик РПМ с параметрами его волокнисто-пористой структуры. Выяснилось, что частицы ферритов, обладающие развитой поверхностью и избыточной поверхностной энергией, склонны связываться в агрегаты. Агрегаты частиц, которые образуются в процессе транспортировки и хранения порошков ферритов, имеют высокую прочность. Они не всегда разрушаются при совместной экструзионной переработке с расплавами полимеров как на стадии гранулирования, так и последующего формирования melt-blown РПМ. Все перечисленное затрудняло процесс изготовления наполненных волокнистых РПМ. Регулированием технологических режимов экструзионной переработки гранулята и варьированием температурных и газодинамических режимов распыления расплава полимера добивались удовлетворительного качества волокнистых композитных РПМ. Объемная плотность волокнистого РПМ на основе ПЭ, наполненного ММФ, составила 0,24-0,30 г/см3, диаметр волокон - от 23 до 349 мкм, средний диаметр волокон - 163 мкм, диаметр сечения пор - от 80 до 1400 мкм. Структура волокнистого РПМ из-за особенностей технологии melt blowing анизотропна.
По критерию ослабления энергии ЭМИ оптимизированы рецептурные, структурные и размерные параметры волокнистых РПМ, имеющих низкую материалоёмкость и удовлетворительные физико-механические показатели. Оптимальная толщина листового волокнистого экрана, которой соответствуют радиофизические параметры, близкие к лучшим достигнутым при частоте ЭМИ v=8^17 ГГц, составляет h=9^11 мм. Степень наполнения волокон 35^40 % масс ферритом дисперсностью d<50 мкм обеспечивает минимальную величину коэффициента отражения R~30 % и ослабление энергии ЭМИ до 5 дБ. Электромагнитные melt-blown экраны в виде полотен с градиентом концентрации ММФ по толщине экрана характеризуется величиной 5=10^15 дБ в диапазоне СВЧ v=2^27 ГГц.
Melt-blown РПМ имеют развитую пористую структуру, что увеличивает площадь активной поверхности рассеяния, а также способствует прохождению электромагнитной волны в глубь полотна. Некоторое поглощение энергии ЭМИ происходит по механизму магнитных потерь из-за наличия частиц ферритового наполнителя, закапсу-лированных в связующем, имеющем технологически обусловленную фибриллярную структуру (рис. 2). Параметры рассеяния ЭМИ повышаются благодаря большой площади межфазных границ и возможности придавать экранам разнообразную форму, например, в виде усеченных пирамид, расположенных на плоском листовом основании.
Следует отметить, что при совместной экстру-зионной переработке ПЭ и ММФ происходит физико-химическое взаимодействие ферромагнитного наполнителя и расплава полимера, приводящее к образованию металлсодержащих соединений карбоксилатного типа. Вступление растворённых ионов Fe в реакции с макромолекулами ПЭ при 7>260 0C и формирование вокруг частиц наполнителя новой фазы металлсодержащих соединений обуславливает рост ослабления энергии ЭМИ. Появление в структуре РПМ ещё одной металлсодержащей фазы усиливает рассеяние энергии ЭМИ, проходящего через образец.
б
а
Достоинством технологии melt blowing изготовления волокнистых композитных РПМ является возможность сочетать многие технологические операции в едином цикле производства, а также изменять в широких пределах микро- и макроструктуру РПМ путем варьирования технологических параметров процесса. Композитные волокнистые полотна, изготовленные с использованием технологии melt blowing, характеризуются невысокими радиофизическими параметрами, что связано с пространственным рассредоточением частиц ФН, за-капсулированного в волокнах, в объеме полотна. Материалы гибки, легковесны (объёмная плотность р=0,2^0,4 г/см3), имеют повышенные звукопоглощающие и теплозащитные характеристики. Нетканые композитные РПМ целесообразно использовать при пошиве радиозащитной верхней одежды для операторов сетей радиосвязи, в качестве элементов одежды пользователей сотовых телефонов, фартуков для работающих с персональными компьютерами, [5] для изготовления комбинированных электромагнитных экранов, выполняя роль наружного согласующего слоя, как декоративно-облицовочные материалы радиозащищённых помещений, для изготовления маскирующих покрытий.
Заключение. Разработаны волокнистые нетканые РПМ и технология их получения из расплава наполненных ферромагнетиками полимерных композиций. Обнаружено, что радиофизические характеристики таких материалов определяются размерно-рецептурными параметрами ФН, структурой материала, а также существенно зависят от структуры новых фаз, образующихся на границах полимер - наполнитель. Этот процесс определяется температурно-временными
режимами формирования РПМ, которые обусловливают степень окисления макромолекул и частиц наполнителя, их активность в химических реакциях взаимодействия, интенсивность диффузии металла в расплав, кинетику формирования в связующем металлических коллоидных частиц. На последних происходит поглощение и рассеяние энергии ЭМИ, вследствие чего полимерные связующее утрачивает присущую ему радиопрозрачность. Процесс образования таких частиц соответствует категории нанотехнологии. Модифицирование полимерного связующего наноразмерными частицами обусловливает усиление радиоадсорбции волокнистыми РПМ.
References
1. Composite ferromagnets and electromagnetic safety / A.G. Alekseev - St. Petersburg: St. Petersburg State University, 1998. - 296 p.
2. Bannyi V.A., Ignatenko V.A. The application of polymer radioabsorbing materials to solve the problem of electromagnetic safety / Problems of health and ecology, 2016, no 3 (49), p. 9-13.
3. Bannyi V.A., Tsarenko I.V. Radioabsorbing materials based on filled polyethylene / Bulletin of the Sukhoi State Technical University, 2009, no 4 (39), p. 3-8.
4. Melt Blowing. Equipment, technology and polymer fibrous materials / Pinchuk L.S., Goldade V.A., Makarevich A.V., Kestelman V.N. - SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2002. - 212 p.
5. Bannyi V.A., Ignatenko V.A., Azarenok A.S., Evtukhova L.A. The modern materials and methods of protection of biological objects from influence of electromagnetic fields and radiations / Problems of health and ecology, 2018, no 2 (56), p. 4-10.
THE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF METHANOL REGENERATION RATE
Kolovertnov G.,
Dr. of Science/ Physics, Full Professor Krasnov A.,
PhD, Associate Professor Prakhova M.
Associate Professor Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov str. Ufa Russia 450062
АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СТЕПЕНИ РЕГЕНЕРАЦИИ МЕТАНОЛА
Коловертнов Г.,
Доктор технических наук, профессор Краснов А.Н., Кандидат технических наук, доцент Прахова М.Ю.
Доцент
Уфимский государственный нефтяной технический университет
450062 Уфа-62, Космонавтов, 1
