РЕФЕРАТ 4 страница

Сурет 34. Cупергидрофобты беттің өсінділерінің капилляр құрауы

3. ТӘЖІРИБЕЛЕР ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ

Тәжірибелік жұмыс барысы, алдымен ұшақ қанатының моделін жасап, оның бір түрін әдеттегі қанат беті ретінде, екіншісінің бетін супергидрофобты етіп жасаймыз. Әдеттегі қанат бетін алюминий материалымен, супергидрофобты қанат бетін алюминий бетіне полифенилсульфиді көмегімен тефлон полимерін отырғызу арқылы аламыз. Аэродинамикалық труба ішінде екі түрлі қанаттың мұздану жағдайын салыстыра отырып, супергидрофобты беттің мұздануға қарсы жүйеге тигізетін көмегінің шамасын талқылаймыз.

3.1 Тефлонның физикалық және химиялық қасиеті

Политетрафторэтилен ағылшын тілінде ПТФЭ(политетрафторэтилен), тауар аты тефлон деп аталатын фтор атомдарының көміртекпен қанығып байланысуынан құралған ақ түсті полимер болып саналады [28]. Химиялық формуласы: [-CF2-CF2-]n

Физикалық қасиеттері. Тефлон әдетте бөлме температурасында ақ түсті, қатты зат. Тығыздығы 2,2 г / см³ , 260℃ температурада балқиды, дөрекілік коэффициенті 0.1 болады. Дөрекілік коэффициенті кіші полимерлердің бірі болып саналады. Жылу өткізгіштігі 0.25 W/（m·K). Қатты күйінде гидрофобты қасиетке ие. Коррозияға төзімділігі: күшті қышқылдарға (фтор қышқылы, патша арағы) төзімді және күшті негізде, оксидтерде және басқа органикалық көп санды еріткіштерде ерімейді.

Изоляциясы: кедергі күші 10^18 Ом-см. Сапалық құрамы тұрақты, кернеуге тұрақты келеді. Температураның өзгеруі көп әсер етпейді, тефлонның жылу сиымдылығы біршама жоғары, сиымдылық температурасы 190~260 ℃ болады. Өздігінен тегістелу қабілеті бар, себебі құрамы полимерлердің ішінде дөрекілігі ең төмен полимер. Адгезиясы төмен, яғни гидрофобты, себебі беттік энергиясы өте төмен. Жоғары аэродинамикаға төзімді, сондықтан ұшақ сыртқы материалына толымды. Оттектік индекс 90-нан жоғары, сондықтан отқа төзімді келеді.

Әдетте тефлонның улылығы болмайды, бірақ температурасы 500градустан асқанда біртіндеп ыдырай бастайды. Түзілген бос газдар адамды улап өлтіруі мүмкін. Дөрекілік коэффициенті төмен болғандықтан, яғни дөрекілік коэффициенті полиэтиленнен бес есе кіші болғандықтан, оны түрлі материал ретінде пайдалануға болады [29].

Тығыздығы жоғары болғандықтан, тефлон сумен негізінен көп араласпайды. 196～260℃ температурада механикалық қасиетін сақтайды. Тефлонның химиялық құрлымы фтор атомдарыңың көміртек тізбегіне транс формалы орналасқан (35-сурет).

Cурет 35. Тефлонның молекулалық құрылымы A. Тізбегі B. Қима беті

Тефлон құрамын құраушы, физикалық қасиет беретін негізгі элемент ол - фтор, себебі молекула сыртқы қабатын фтор қоршап тұрады. Фтордың электрондық құрылымы:

Фтордың сыртқы орбиталінде жеті электрон болғандықтан, электр терістігі өте жоғары, оңай басқа атомдардың электронын қосып алады, түзілген қосылыстары сол себепті өте тұрақты келеді. Бейметаллдардың ішінде ең активті элемент болып есептеледі [30]. F^- ионы ең тұрақты иондар қатарына кіреді (36-сурет).

Cурет 36. Фтор атомының қанығып ионға айналуы

Тефлонның құрылысы тізбектегі әр көміртек атомының сыртындағы төрт электронмен төрт фтор атомы ортақ электрондары арқылы байланысады. Көміртекке қосылған фтор атомының активтілігі, яғни беткі энергиясы жойылады. Тіпті беттік энергиясы ноьге жақындайды. Галоген қосылыстарың ішіндегі беттік энергиясы ең төмені болып саналады (1-график).

График 1. Галоген атомдарының және галоген иондарының беттік энергиясының орналасу реті

Беттік энергиясы қанша кіші болған сайын қатты дененің гидрофобтылық қасиеті соншалық жоғары болады. Тефлонды көбінесе металл беттеріне отырғызып, гидрофобты материалдар жасайды. Мысалы, үйде қолданылатын қазан бетіне тефлон отырғызып, тамақ істеу кезінде жабысып қалуының алдын алады. Бірақ тефлонның беттік энергиясы төмен болғандықтан металл бетіне оңай жабыспайды. Сондықтан дәнекерлеуші зат керек.

3.2 Полифениленсульфидінің физико-химиялық қасиеті

Полифениленсульфиді (ПФС) құрамында күкірт және ароматты сақина бар, ақ түсті кристаллды полимер болып саналады [31].

Физикалық қасиеті. Кристаллдығы 5%. Әдетте ПФС 125℃ температурада кристаллы жылу бөле бастайды. Шынылану температурасы 93℃. Балқу температурасы 281℃. Ал 130—230℃ температурада созылғыш күйге келеді. Созылған күйде шынылану температурасы 60—80% кетеді. Бірақ созылғаннан кейін шынылану болмайды немесе кристаллдану температурасында жылу сейілтеді, балқу температурасы 284℃ болады. Тығыздығы созылудан бұрын 1.33g/cm3 болса созылудан кейін 1.34g/cm3болады қыздыру барысында 1.38g/cm3 болады [32].

ПФС құрамы механикалық күші жоғары, жоғары температураға төзімді әрі жылу сіңіргіштігі жоғары, химиялық тұрақтылық сияқты қасиеттерге ие. Құрамы қатты, кристаллдану температурасы жоғары, отқа жанбайтын, температураға тұрақты келеді. Беттік энергиясы жоғары болғандықтан металлдармен оңай қосылады. Аққыштығы біршама жоғары, құйма алуға ыңғайлы, құйма алыну барысында ойыс беттер қалмайды, негізінен бейорганикалық заттармен жақсы әрекеттеседі. Формасын өзгерту барысында температуралық параметрлері де өзгереді. Материал ретінде қолдануға ыңғайлы. Шыны тәріздес күйі үлкен заттар негізінен әйнек талшықтары сияқты заттар болып есептеледі [32].

Полифениленсульфидінің химиялық қасиеті.

Алыну жолы: дихлорбензолға натрий сульфидін қосу арқылы аламыз.

ПФС полимерінің құрамы ароматты сақина және күкірт атомынан тізбектеліп құралған. Әр тармақтағы күкірт атомының құрамында жұптаспаған электрондар болады (37-сурет). Электрондар әсерінен электр терістік қасиет болады. Бұл қасиетіне байланысты күкірт атомы металдарға оңай тартылады.

Сурет 37. ПФС құрамындағы жұптаспаған электрондар

ПФС полимерінің құрамында сақина болғандықтан әр көміртек атомында байланысқан бір сутек атомы болады. Қыздыру барысында кванттық жағдай өзгереді, яғни сутек атомы электр терістігі бар элементтермен сутектік байланыс құрайды (38-сурет).

Сурет 38. ПФС құрамындағы сутек атомдары

3.3 ПТФЭ – ПФС қоспасындағы супергидрофобты қанат бетін алудың тәжірибелік әдісі

Қанат формасы. NACA 0021 стандартты қанат бетін қолданамыз, NACA 0021 формадағы ұшақ қанатының моделін жасау біршама қарапайым, себебі, көлденең оське қарата симметриялы болады (39-сурет).

Сурет 39. NACA 0021 қанат формасының қима беттік құрлымы

Қанат бетінің негізгі қаңқасы ретінде алюминий материалын қолдынамыз, себебі супергидрофобты бетті жасауға ыңғайлы және ұшақ қанат материалының негізгі шикізаты болып саналады. Таза алюминий жалпақ материалын қанат формасына әкелеміз. Нәтижесінде NACA 0021формадағы қанат беті алынады (40-сурет).

Сурет 40. Алюминий ұшақ қанаты

Супергидрофобты материал алудың тәжірибелік әдісі.

Беттің ерекшеліктері: бет құрамында жапырақ беті сияқты екінші ретті құрылым болады. Таза ПТФЭ қабықшасымен салыстырғанда ПТФЭ – ПФС қоспада қабықшаның металлмен адгезиясы 5 есе жоғарылайды, иілгіштігі 10 есеге жоғарылайды [32].

Иондық қабықша әдісі ПТФЭ ұнтағын тікелей шашырату әдісімен ПТФЭ супергидрофобты материалын алуға болады, бірақ бұл әдістердің жұмыс барысы күрделі, шығыны жоғары. ПТФЭ эмульсиясы мен неорганикалық талшықты шикізат етіп, шашырату әдісімен қабықша алуға болады. Бұл әдіс төмен экономикалық шығынды, бірақ, неорганикалық талшық ПТФЭ эмульсиясы ішінде тұнып қалады, шашырату кезінде біркелкі таралмайды. [33]. Сонымен қатар, бұл қабықшаның металл бетіне адгезиясы біршама нашар. ПФС – комплексті құрылымы бар, температураға төзімді, S – атомы құрамындағы жұптаспаған қос электроны металл атомы арасында лигандалар, көп ядролы комплекстер түзеді. ПФС – металл арасында жоғары адгезия пайда болады. ПФС полимерін ПТФЭ құрамына енгізсек, металл мен адгезия күшін арттыруға болады. ПТФЭ – ПФС қабықшасы әдетте металдың коррозиялануынан сақтайды [34,35,36].

Тәжірибелік бөлім.

Керекті реактивтер:

1) fritonx-100 сулы еріткіші (0.5%)

2) Полифениленсульфиді порошогы

3) тефлон сұйық эмульсиясы(60%)

4) алюминий (тазалығы 99%)

5) күкірт қышқылы(30%)

6) аммоний гидроксиді(25%)

7) этил спирті

8) дистильденген су

Керекті қондырғылар мен ыдыстар.

1) колбалар

2) пипетка

3) аналитикалық таразы

4) шашыратқыш (бүркігіш)

5) муфел пеші

Жұмыстың орындалу тәртібі.

1) Алдымен fritonx-100 еріткішінің 0.5% еріткішін дайындап аламыз. Оны жақсылап араластырып,көбігінің жойлуына қалдырып қоямыз.

2) Алюминий қанат бетін құмды қағазбен ысқылап, бетіндегі тотығын жоғалтамыз.

3) Қышқылмен, негізбен, спиртпен, сумен жуамыз

4) Бөлме температурасында кептіреміз.

5) ПФС порошогын fritonx-100 -еріткішке араластырып, 1:4 қатынаста эмульсия дайындаймыз.

6) Шашырату әдісімен алюминий бетіне ПФС эмульсиясын шашамыз.

7) муфель пешінде 80 -та 10 минут қыздырамыз.

8) муфель пешінде 320-380 -та 1 сағат қыздырамыз, пешпен бірге суытамыз.

9) ПТФЭ сұйықтығын пистолет арқылы шашамыз; (0,2 – 0,3 мПа, 25 см ара қашықтықта, 45 көлбеулікпен.)

10) 80 -та 10 минут кептіреміз.

11) 370 -та 8 сағат қыздырамыз.

Тәжірибені жүргізгеннен кейін жасалынған қанатты суытуға қалдырамыз.

Бастапқы полифениленсульфидін алюминий бетіне жағып, оны 320-380 -та қыздыру барысында полимер құрамы өзгеріп, балқыған күйге келеді, балқу барысында күкірт атомының кванттық жағдайы өзгеріп, жұптаспаған электрондары арқылы металл алюминийге тартылады (41-сурет).

Сурет 41. Алюминий ПФС арасындағы химиялық байланыс

Екінші басқышта тефлон эмульсиясын бірінші ПФС қабықшасының үстіне қойып, 370 температурада қыздыру барысында ПФС құрамындағы сутектердің қозғалғыштықтары біршама көбейеді, әрі көміртекпен байланысы жартылай әлсіреп, электр терістігі бар атомдарды іздейді. Ал тефлон полимері қыздырудың әсерінен фтор-көміртек байланысы жартылай әлсіреп, фтордың активтілігі біршама артады да, сутек пен фтор арасында сутектік байланыс орнай бастайды (42-сурет). Ұзақ қыздыру әсерінен тефлонның жоғарғы қабаттарында өсінді пайда болады, капиллярлық қысым тудырады. ПФС-тефлон (ПФС-ПТФЭ) қоспасындағы супергидрофобты бет дайын болады.

Сурет 42. Cутектік байланыстың пайда болуы

Супергидрофобты беттің нәтижелері: нәтижелерін су тамшысымен жұғу бұрышын тексереміз (43-сурет).

Сурет 43. Қанат бетіндегі су тамшысы

Жұғу бұрышын бақылау барысы бетке жанасқан су тамшысын горизонталь бағыттан суретке түсіріп, оның жұғу бұрышын тексереміз. Нәтижесінде жұғу бұрышы 143⁰ болды (44-сурет).

Сурет 44. Cу тамшысының қанат бетіне жұғу бұрышы

3.4 Төмен жылдамдықтағы аэродинамикалық трубаның жасалу жолы

Әдетте ұшақ қанатының қима бет ұзындығы a=1.5 5m дейін болады, орташа 4m деп алсақ (45-сурет), ал ұшақтың ұшу жылдамдығы.V=1000km/h =280m/s болады. Бізде жасалынған ұшақ қанат моделінің қима бет ұзындығы a=9cm=0.09m, ені b=6cm=0.06m болды.

Сурет 45. Қанаттың қима беті

Ұшақтың ұшу кезіндегі Рейнольдс саны:

Re= мұндағы ₁=5 ₂( ₁-атмосферадағы, ₂-жер бетіндегі қысым), ₁=500 ₂( ₁-атмосферадағы, ₂-жер бетіндегі ауа тұтқырлығы) деп алсақ, ұшақ ұшу кезіндегі Рейнольдс саны төмендегідей болады:

Re= 280 4/ =1120 /

Келесі теңдеуде Рейнольдс санын тұрақты етіп алсақ,жер бетіндегі жағдай:

Re=1120 ₁/ ₁=1120 5 ₂/500 ₂= _{2 2} 0.09/ ₂

=(1120 5 _{2 2})/(500 _{2 2} 0.09)=124m/s

Бұл теңдіктен жер бетіндегі яғни аэродинамикалық труба моделі ішіндегі ауа жылдамдығы 124m/s болады. Аэродинамикалық трубаның конус бөлігіне орнатылатын вентилятор диаметрі шамамен d1=45cm=0.45m болды, оның жел үрлеу жылдамдығын диаметрі d1=45cm=0.45m болатын трубада анемометр көмегімен өлшейміз (46-сурет).

Сурет 46. Жел жылдамдығын анемометр көмегімен өлшеу

1. Вентилятор 2. Анемометр

Өлшеу нәтижесінде цилиндр ішіндегі ауа жылдамдығы V=6.1 m/s болды. Негізінде аэродинамикалық труба ішіндегі ауа қысымы біркелкі,сондықтан кірген ауаның көлемдік жылдамдығы шыққан ауаның көлемдік жылдамдығымен бірдей болады (47-сурет). Сондықтан, сызықтық жылдамдықтары мен сәйкес қима беттік аудан көбейтінділері де бірдей болады.

V₁S₁=V₂S₂

V₁,V₂- сызықтық жылдамдық, S₁,S₂-цилиндрдің қима беттік аудандары

Сурет 47. Аэродинамикалық трубаның жылдамдықтары

Сондықтан: V₁ R₁²=V₂ R₂² V₁ R₁²=VR₂²

V₁ R₁²=VR₂²

6.1 22.5²=124 R₂² R₂=4.9cm

Сондықтан жіңішке цилиндр диаметрін шамамен 10 cm деп аламыз. Аэродинамикалық труба пішіні төмендегідей болды (48-сурет).

Сурет 48. Аэродинамикалық труба

Параметрлері:d₁=45cm, d₂=10cm,a=100cm

3.5 Ұшақтың ұшу модельін аэродинамикалық трубада жасау және әдеттегі және супергидрофобты қанат беттерінің мұздану жағдайын салыстыру

Ұшақтың мұздану жағдайы атмосфера температурасының әр түрлі болуына баланысты әр түрлі болады. Жаз айларында атмосфера ылғалдылығы жоғары әрі атмосферада су тамшылары жартылай сұйық күйде болады, температура шамамен (-15- -20 ) болады. Ауа құрамында сұйық күйдегі судың мөлшері біршама көп болғандықтан (49-сурет). Ұшақ ұшу барысында жоғары жылдамдық әсерінен су тамшысы мұзға айналып, қанат бетіне адгезияланады.

Сурет 49. Жаз кезіндегі ұшақтың мұздануы және атмосферадағы су концентрациясы

Қыс кезінде температура өте төмен болады, атмосфера температурасы шамамен -40 болады. Атмосферадағы ауа құрамы негізінен тұман болады. Жартылай кристаллдар өмір сүреді. Ұшақ ұшу барысында кристаллдар қанат бетіне адгезияланады. Жартылай кристаллдардың адгезиялануы суға қарағанда жоғары болады. Қырау күйінде ұшақ сыртына қатады (50-сурет).

Сурет 50. Қыс кезіндегі ұшақтың мұздануы және атмосферадағы су концентрациясы

Әдеттегі және супергидрофобты қанат беттерінің мұздану жағдайларын салыстыру үшін аэродинамикалық труба ішіне ұшақ қанатының моделін қойып, оны ауа су араласқан ағыста ұстап, оларды уақыт бойынша бақылаймыз. Қанат беттерінің ауданын 120cm² етіп алып, оларды -18 температурада аэродинамикалық труба ішіне қойып мұздануларын салыстырамыз. Ұшақтың ұшуы кезінде ауа ағысы ламинарлы болатындықтан аэродинамикалық трубаның ламинарлы бөлігіне қанатты қоямыз, трубаның вентилятор бөлікке қанша жақын болған сайын ауаның турбулентті ағысы көп болады, сондықтан вентилятор бөлікке қарама-қарсы ауызға жақын жерге, яғни ламинарлы бөлікке қанатты орнатамыз. Осы арқылы ұшақтың ұшу моделі дайындалады (51-сурет).

Сурет 51. Қанаттың мұздануын тексеру схемасы.

1. Шашырату жүйесі 2. Енгізу аузы 3. Тәжірибе бөлігі (қанат) 4. Диффузер конус бөлігі 5. Вентилятор

Нәтижелер.

Шашырту жүйесі арқылы су концентрациясын C= 0.41г/m³ етіп аламыз да, V=124m/s жылдамдықпен трубада жүргіземіз, бірінші кезеңде әдеттегі алюминий қанат бетінің мұздану жағдайын бақылаймыз.

Тәжірибе барысы t=40s уақыт жүргізілді, T=-18 температурада, қанаттың сыртқы бет ауданы S=120cm² , бастапқы массасы m₁=27г-нан m₂=50г-ға өзгерді. Жалпы барыста массасы m_мұз =27г мұз жиналды (52-сурет).

Дата добавления: 2015-08-20