Надслоевое пространство

3. С учетом этого в рамках фундаментальных положений статистической физики и неравновесной термодинамики с позиций синергетики предложена фрактальная трактовка структуры полимерной матрицы и схема численного моделирования, основанная только на использовании молекулярных параметров. С помощью компьютерной программы на основе разработанной модели рассчитаны параметры надмолекулярной структуры и технические характеристики эпокси-полимерной матрицы.

Одной из наиболее общих особенностей окружавшего мира является способность к самоорганизации, т. е. спонтанному образованию и развитию упорядоченных иерархических структур. Долгое время жизнь рассматривалась как антипод неорганической природы. Однако в настоящее время происходит все более активное проникновение физико-механических методов в биологию. Фундаментальные исследования в области синергетики показали, что основные формы согласованного кооперативного поведения, свойственные живым организмам, имеют свои аналоги среди физико-химических систем. Так, например, В [1] были установлены неизвестные ранее явления структурной самоорганизации полимера и закономерность масштабной инвариантности элементов надмолекулярной структуры.

Принимая во внимание наличие высоких температур (более 600 К) в зоне трения, что подтверждается показанным выше образованием фторидов, в целях уточнения характера и механизма изменения надмолекулярной структуры полимерной матрицы были проведены рентгенографические исследования в интервале температур 293-610 К. Рентге-нографирование образцов из чистого фторопласта-4 и композиционных материалов проводили в монохроматизированном медном излучении, нагрев образцов - в высокотемпературной приставке, конструкция которой позволяла выдерживать заданную температуру с точностью ±5 К в течение времени, необходимого для получения рентгенограммы.

Установлено, что параметр кристаллической ячейки всех материалов с повышением температуры увеличивается незначительно, при этом у композиционных материалов этот параметр больше. Величина межслоевого расстояния практически не зависит от температуры до момента достижения температуры плавления кристаллической фазы. Однако введение наполнителей приводит к изменению межслоевого расстояния, при этом природа и форма частиц наполнителя оказывают различное влияние на формирование надмолекулярной структуры. Поэтому матрица материала криолон-3, содержащего волокнистый наполнитель, имеет межслоевое расстояние большее, чем у чистого ПТФЭ, в то время как структура матрицы материала КВН-3, содержащего дисперсные наполнители, характеризуется межслоевым расстоянием меньшим, чем у чистого ПТФЭ. Температура 553 К для ПТФЭ является критической. Начиная с этой температуры идет процесс плавления кристаллических областей, который заканчивается при температуре 603 К. Степень "дальнего" порядка в матрице при этом уменьшается,

она начинает рассеивать лучи более диффузно, однако некоторая степень упорядочения в ней сохраняется вплоть до температуры 683 К. Отмеченное различие параметров надмолекулярной структуры композиционных материалов оказывает существенное влияние на их физико-механические и триботехнические свойства.

Таким образом, исследование надмолекулярной структуры композиционных материалов на основе ПТФЭ показало, что при увеличении температуры выше температуры плавления кристаллитов, как и при воздействии трением, в аморфной фазе сохраняется послойное расположение макромолекул. Этот результат говорит о том, что при определенном энергетическом воздействии кристаллическая фаза, переходя в аморфную, самоорганизуется в новую, относительно упорядоченную структуру. Поэтому представляет большой интерес исследование энергетических и температурных характеристик фазовых переходов в области и выше температуры плавления кристаллической фазы ПТФЭ методом дифференциально-термического анализа. Термограммы снимали на образцах из чистого ПТФЭ, а также из композиционных материалов на его основе. На рис. 4.12 показаны наиболее типичные для названных материалов термограммы, построенные по экспериментальным кривым путем графического исключения наклона нулевой линии дериватограммы и перехода от временной шкалы к шкале температур.

Изнашивание более жестких и хрупких полимерных материалов происходит в основном в результате микрорезания. На интенсивность изнашивания сильно влияет характер надмолекулярной структуры материала. При трении с граничной смазкой преобладание кристаллических областей в структуре полимера над аморфными обеспечивает его более высокую твердость и износостойкость. Между тем увеличение степени кристалличности снижает износостойкость полимера при абразивном изнашивании. Это объясняется тем, что даже при повышении твердости полимера за счет увеличения кристаллических областей она остается в несколько раз ниже твердости абразива, поэтому повышение твердости оказывается неэффективным. Уменьшение эластичности полимера создает более благоприятные условия для начала срезания абразивными частицами микрообъемов материала; при срезе опреде-

Наши исследования чистого и модифицированного политетрафторэтилена (ПТФЭ) показали, что введение наполнителей вызывает значительное изменение степени кристалличности и всех параметров надмолекулярной структуры. Применение рентгеноструктурного анализа

Рис. 6.18. Температурные зависимости параметра а (а) и межслоевого расстояния Сам (б) надмолекулярной структуры модифицированного ПТФЭ

Для получения статистически достоверных результатов исследование проводили в интервале температур 293-593 К, при каждой конкретной температуре снимали по пять рентгенограмм. По рассчитанным значениям параметра а и Сам были построены температурные зависимости параметров надмолекулярной структуры (рис. 6.18).

параметр больше. Величина межслоевого расстояния практически не зависит от температуры до достижения температуры плавления кристаллической фазы. Однако влияние наполнителей вызывает изменение межслоевого расстояния, при этом природа и форма частиц наполнителя оказывают различное влияние на формирование надмолекулярной структуры. Поэтому матрица криолона-3, содержащего волокнистый наполнитель, имеет межслоевое расстояние большее, чем у чистого ПТФЭ, в то время как структура матрицы материала КВН-3, содержащего дисперсные наполнители, характеризуется межслоевыми расстояниями меньшими, чем у чистого ПТФЭ. Степень кристалличности матрицы с повышением температуры возрастает (рис. 6.19).

Широкое внедрение котлов с кипящим слоем (они создаются во многих передовых странах мира, в СССР уже работает более 100 котлов, в КНР — более 2000) выявило и их недостатки, основной из которых — большой механический недожог с уносом
его, их улавливают за котлом и снова возвращают (обычно - пневматически) в слой или надслоевое пространство.

Исходя из распределения порозности вдоль оси трубы в [13] выделено три зоны, обозначенные цифрами на рис. 1.4,с: приреше-точная (I), основная (II) и отстойная (III). При относительно небольших скоростях псевдоожижения порозность вдоль оси основной зоны практически постоянна до верхней границы насыпного слоя. По мере увеличения скорости все большее количество материала подбрасывается пузырями в надслоевое пространство, поэтому концентрация материала в основной зоне, а особенно в ее верхней части, уменьшается так, что при какой-то скорости основная зона исчезает совсем.

Математическое описание перемешивания в кипящем слое наталкивается на трудности, связанные с отсутствием надежной физической модели. Макроперенос частиц осуществляется циркуляционными контурами, поэтому перенос в горизонтальном направлении наиболее заметен в прирешеточной зоне, и особенно в верхней части слоя, включая надслоевое пространство.

2.4. ВЫБРОС ЧАСТИЦ В НАДСЛОЕВОЕ ПРОСТРАНСТВО И УНОС ИЗ СЛОЯ

Пузыри поднимают вверх и частицы, выброшенные ими же в надслоевое пространство. Многочисленные измерения [37, 38] показывают, что в центральной части аппарата средняя скорость частиц направлена вверх, а в тонких пристенных областях - вниз. Средняя скорость подъемного движения частиц уменьшается по мере удаления от поверхности слоя (рис. 2.4), причем над поверхностью она превышает скорость псевдоожижения (среднюю по сечению), г Для расчета процесса горения в надслоевом пространстве топок с кипящим слоем важно знать распределение концентраций частиц по его высоте. Объемная концентрация поднимающихся в данном сечении частиц (1 - et) связана со скоростью их подъема w4t очевидным соотношением:

Если в надслоевое пространство из пузырькового слоя наряду с крупными выбрасываются и мелкие частицы, то они, естественно, уносятся потоком за пределы отслойной зоны.

** Влияние Da в [65] не исследовалось и введено на основании данных по выбросу частиц в надслоевое пространство и из соображений размерностей. Представляется, что это оправдано лишь при Нк ^ Da. Для топок с большой площадью (Як -С Da) целесообразнее, по-видимому, вместо Як'в Dfya подставлять Як. Обычно высота подброса основного количества частиц над слоем не превышает по порядку величины Як.

В реальных условиях максимальный размер частиц в исходной рассевке всегда ограничен каким-то определенным значением б j (например, размером отверстия грохота). Будем считать, что частицы угля с диаметром меньшим критического диаметра 6t, определяемого по скорости витания, выносятся потоком дымовых газов в надслоевое пространство, т.е. в слой поступают частицы с размерами от б1 до 62. Полученная из (1.4) дифференциальная функция их распределения имеет вид

Функция распределения частиц, поступающих из загрузки сразу в надслоевое пространство камеры сгорания, соответственно будет

Наконец, необходимо оценить потери теплоты от механической неполноты сгорания с уносом. Общий поток частиц, поступающих в надслоевое пространство, состоит из частиц в исходном угле с размерами б < 6t, сразу вынесенных в надслоевое пространство при загрузке, и частиц, догоревших в объеме слоя до размера 6t.