книги / Светопрозрачные конструкции. (Результаты исследований)
.pdfФотоокисление происходит быстрее, если смола недо статочно отверждена, т. е. если в ней находится значи тельное количество несшитых мономеров.
В большинстве случаев фотоокислительная деструк ция полиэфирных смол и стеклопластиков на их основе протекает на поверхности материала там, где происходит поглощение света, кислорода или озона, поэтому ско рость старения тонких стеклопластиков типа пленок ока зывается значительно большей, чем у более толстых материалов.
Ультрафиолетовая радиация и кислород воздуха дей ствуют в основном на полиэфирную смолу, вызывая ее пожелтение и снижение прочностных показателей, а так же выцветание некоторых типов красителей.
Фотоокислительной деструкцией нельзя объяснить та кие явления, происходящие при атмосферном старении светопрозрачных стеклопластиков, как проступание стек ловолокна на поверхности материала, появление микро трещин, в которые свободно проникает влага, вызывая выщелачивание стекловолокна, расслоение и постепенное разрушение материала. Наблюдение под микроскопом стеклопластика с явственно проступившим рисунком стекловолокна показывает, что сцепление между смолой и стекловолокном оказывается в этом случае разрушен ным. На границе раздела стекло—смола образуются пу стоты. Эти пустоты и создают впечатление проступания рисунка стекловолокна, так как в этом случае появля ются дополнительные границы раздела воздух — смола и воздух — стекло, отражающие свет. Причинами появ ления микротрещин и расслоения полиэфирных стекло пластиков могут быть: различные коэффициенты тер мического расширения полиэфирной смолы и стекла (ко эффициент линейного термического расширения отвержденной смолы на порядок выше, чем коэффициент линейного расширения стекла); водопоглощенне и соот ветственно набухание смолы.
Защита стеклопластиков от преждевременного старе ния должна осуществляться путем применения комплек са мероприятий, каждое из которых предотвращает или снижает вредное действие одного или нескольких указан ных выше факторов, вызывающих деструкцию материа ла. Для борьбы со старением светопропускающих стек лопластиков применяются следующие основные меро приятия:
111
/
/
а) повышение светопропускания отвержденной по лиэфирной смолы в ультрафиолетовой области солнеч
ного спектра; |
; |
б) применение специальных видов |
полиэфирных |
смол, модифицированных мономерами, не содержащими в своем составе бензольных колец;
в) введение в полиэфирную смолу специальных уль трафиолетовых поглотителей, которые гасят энергию фо тонов, превращая ее в теплоту; I
г) покрытие поверхности стеклопластика пЛенками, защищающими ее от активного действия кислорода.
Повышение светопропускания полиэфирной смолы в ультрафиолетовой области спектра может быть достиг нуто за счет уменьшения или исключения отвердителей кобальтового типа, вызывающих заметное окрашивание композиции. Частичная замена мономера стирола моно мером метилметакрилата способствует увеличению про пускания отвержденной полиэфирной смолы в ультра фиолетовой части спектра [7].
Плохая погодостойкость полистирола и хорошая—по
лиметилметакрилата |
позволяют полагать, что сти- |
|
рол-стирольная |
связь |
непрочна и быстро разрушается. |
В то же время |
метилметакрилат неудовлетворительно |
сополимеризуется с полиэфиром. Поэтому наилучшие ре зультаты получают, применяя в качестве растворителя полиэфирных смол смесь стирола и метилметакрилата, при этом стирол сополимеризуется и с метилметакрила том и с полиэфиром, являясь как бы мостом между ними. Нестабильные стирол-стирольные связи при такой поли меризации не образуются и погодоустойчивость поли эфирной смолы повышается. Кроме того, примене ние полиэфирных смол, модифицированных метилмета крилатом, повышает первоначальное светопропускание стеклопластика, так как у таких смол в отвержденном состоянии показатель преломления близок к показателю преломления алюмоборосиликатного стекловолокна.
Общеупотребительным приемом стабилизации поли эфирных смол, как и многих других полимеров, по отно шению к действию света является применение соедине ний, интенсивно поглощающих ультрафиолетовые лучи и не подвергающих в результате этого фотолизу осно вной материал.
Ультрафиолетовый поглотитель должен, кроме того, удовлетворять следующим требованиям:
112
а) обладать удовлетворительной, но ограниченной растворимостью в полиэфирных смолах для обеспечения его миграции к поверхности материала;
б) не окрашивать связующее и не терять защитных качеств со временем;
в) быть теплостойким и не разлагаться при темпе ратурах полимеризации и эксплуатации стеклоплас тика;
г) не выступать на поверхности материала; д) быть нетоксичным и недорогим.
Рис. 4. Спектральное светопропускание толуольных растворов ультрафиолетовых поглотителей при. концентрации 0,1%
1 — фенолсалицилата; 2 — 2-окси — 4-метоксибеизофеиона; |
3 — замещен |
ного беизотриазола; 4 — 2,2-диокси — 4-метоксибензофенона |
при концен |
трации 0,01%; 5 — 2,2-диокси — 4-метоксибензофенона
В качестве поглотителей ультрафиолетовых лучей применяются три типа соединений (рис. 4): эфиры сали циловой кислоты, замещенные бензоазиды и производ ные оксибензофенонов. Эфиры салициловой кислоты, из которых в качестве светостабилизатора наиболее извест ным является фенолсалицилат, представляют собой бес цветные жидкости. Эти соединения поглощают ультра фиолетовые лучи с длиной волны до 0,34 мк.
Из класса замещенных бензоазидов распространен за мещенный бензотриазол, известный в промышленности под маркой «тинувин Р». Это соединение также прак тически бесцветно и способно поглощать ультрафиоле-
8—960 |
ИЗ |
товые лучи с длиной волны до 0,385 мк, т. е. почти во всем диапазоне ультрафиолетовой части солнечного спектра, достигающей поверхности земли. Недостатком тйнувина Р является его способность вступать в реакцию с ионами различных тяжелых металлов, образуя окрашен ные соли, поэтому необходимо, чтобы этот стабилизатор не соприкасался с металлами.
В качестве промышленных светостабилизаторов ши роко применяются производные оксибензофенонов. К со единениям этого типа, применяемым за рубежом, отно сится 2-окси — 4-метоксибензофенон (торговая марка UV-9), который стабилизует полиэфирные смолы от действия света с длиной волны до 0,37 мк. Еще более сильным поглотителем является 2,2-диокси —4-метокси бензофенон (UV-490). UV-490 нелетуч, хорошо совмеща ется с полиэфирными смолами, поглощает почти все лу чи в диапазоне 0,3—0,4 мк и (в незначительной степени) лучи видимой части солнечного спектра, отчего этот светостабилизатор имеет слегка желтую окраску. Примерно такие же свойства и у 2,2-диокси—4-октилок- сибензофенона, выпускаемого под маркой UV-314.
Из вышеперечисленных светостабилизаторов следует предпочесть соединения бензофенонового типа, так как сами они чрезвычайно светоустойчивы, в то время как эфиры салициловой кислоты и производные бензотриазолов быстрее теряют свои первоначальные стабилизи рующие свойства.
Концентрация ультрафиолетовых поглотителей для светостабилизации полиэфирных смол относительно низ ка и составляет 0,1—0,3%. В общем случае концентра ция светостабилизаторов является функцией толщины стеклопластика и его окраски. Чем тоньше материал, тем выше должна быть оптимальная концентрация светостабилизатора. Эффективность действия светостабилизато ров увеличивается с повышением светопропускания стек лопластика.
Максимальное количество светостабилизатора (0,5— 1%) должно быть сконцентрировано у поверхности стеклопластика, граничащей с наружным воздухом. На практике это достигается путем нанесения на поверх ность стеклопластика тонкой пленки высокостабилизированной смолы, которую в Англии и Америке называют шелькоут. Применяются, хотя и реже, и другие полимер ные пленки: поливинилфторидная, полиуретановая и т. д.
114
Покрытие поверхности стеклопластика защитными пленками преграждает доступ кислороду и влаге к по верхности этого материала и в значительной степени смягчает влияние колебаний температуры наружного воздуха на стеклопластик. По технологическим сообра жениям, а также с целью упрочнения поверхностную за щитную пленку иногда армируют нейлоновыми нитями, легкими синтетическими сетками и стеклосетками. Как показали проведенные эксперименты, поверхность стек лопластика, имеющего качественную защитную пленку, практически не разрушается при длительной наружной экспозиции, сохраняет свою глянцевитость.
Конкретный срок службы светопропускающих сте клопластиков при их наружной экспозиции зависит от ряда условий: климатического пояса, степени загрязнен ности воздуха, требуемой стабильности свойств и т. д., однако накопленный опыт показывает, что нестабилизированные светопропускающие стеклопластики, изготов ленные на основе полиэфирных смол общего назначе ния, служат в районах с условиями, близкими к усло виям средней полосы СССР, не более трех — пяти лет; стеклопластики на основе связующих, модифицирован ных метилметакрилатом, с введенными в них ультрафи олетовыми поглотителями имеют срок службы 5—10 лет; стеклопластики, имеющие поверхностные защитные пок рытия, существенно не стареют в течение 15—20 лет.
В понятие «срок службы» в данном случае вклады вается тот смысл, что в течение этого срока материал, в основном, обладает первоначальными качествами. Следовательно, материал может эксплуатироваться и после истечения указанного срока, но его оптические и механические показатели будут существенно ниже первоначальных.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. ГОСТ 10226 — 62. Пластические массы. Методы определения атмосферостойкости и светостойкости.
2.К л я т и с Г. Я. Несущие конструкции из пластмасс. Стройиздат, 1965.
3.Architectural Catalog File v. 7, § 20, 1963.
4. M a t t i n g A., W a g e n e r |
K. Kunststoffe Rundschau, № 4, |
||
s. 253, |
1964. |
П ф л а у м е р О. |
Е. Стеклоплас |
5. |
А р к д ж о в с к и й В. H., |
||
тики в строительстве. Сборник трудов ВНИИНСМ. 7 |
(15), 1966. |
8* |
115 |
6. |
H a g e n |
H. Glasfaserverstilrirte Kunststoffe. Springer Verlag, |
||
1956. |
Г о р д о н |
Г. Я. |
Стабилизация синтетических |
полимеров. |
7. |
||||
Госхимиздат, 1963. |
Б. Органические перекиси ИЛ, |
1963. |
||
8. |
К а р и о ж н ц к и й |
Кандидаты техн. наук А. Г. ГИНДОЯН и В. А. МОЧАЛОВ, инж. М. К. ВЕРМИШЕВ
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА В СВЕТОПРОПУСКАЮЩИХ ЗАПОЛНЕНИЯХ КРИВОЛИНЕЙНОГО ОЧЕРТАНИЯ
Разработка и внедрение светопрозрачных конструк ций криволинейного очертания выдвигает ряд теплотех нических задач, решение которых позволяет существен но уточнить важнейшие параметры, необходимые для проектирования зданий. К этим задачам относятся:
а) определение внутреннего конвективного коэффи циента теплообмена в подкупольном пространстве свето прозрачных конструкций для различных значений темпе ратурного перепада и различных значений кривизны цилиндрических куполов;
б) изучение основных закономерностей изменения конвективных тепловых потоков через криволинейные воздушные прослойки с определением интенсивности этих потоков.
Теория подобия [I] устанавливает критериальную зависимость между физическими параметрами, опреде ляющими развитие процесса теплообмена в условиях естественной конвекции:
Nu = С(GrPr)", |
(I) |
где С и п— эмпирические коэффициенты; |
|
Nu — критерий Нуссельта; |
|
Gr — критерий Грасгофа; |
|
Рг — критерий Прандтля.
В такой форме представлены результаты всех извест ных исследований по конвективному теплообмену в вертикальных и горизонтальных плоских и цилиндри ческих слоях.
Поставленные задачи решали моделированием основ ных закономерностей процесса на основе теории подо
116
бия. В процессе исследований моделировали температур ные поля при свободной конвекции в замкнутом объеме при плоском нижнем источнике тепла. При этом опреде ляли коэффициенты теплообмена на границе воздух — теплоотдающая цилиндрическая поверхность, а также ко эффициенты теплообмена и термические сопротивления воздушных полуцилиндрических прослоек при различных их толщинах и температурном напоре.
Подобие температурных полей в натуре и модели обеспечивается условием автомодельности распределе ния температур и скоростей в турбулентном потоке
(Grpr)HaT > (GrPr)KpHT, |
(2) |
МОД |
|
при этом соблюдается независимость безразмерной тем пературы внутри помещения от размеров теплоотдаю щей поверхности. Для случая моделирования больших производственных зданий с равномерно распределенны ми в нижней части здания источниками тепловыделения можно считать, что теплоотдающей поверхностью явля ется пластина, обращенная нагретой стороной вверх. Тогда автомодельность процесса теплообмена наступает при [5]
(GrPr)KpHT> Ю6. |
(3) |
Из этого условия можно определить минимальную ширину нагревателя (/J^p = 740 мм).
Минимальную высоту модели необходимо определить из условия обеспечения развитой турбулентности в рабо чем объеме [5]
Grftкр> 2,75 X Ю5 или h\mM > 0,0035. |
(4) |
В рассматриваемом случае минимальная высота модели должна быть 800 мм.
Для проверки автомодельности температурных полей внутри замкнутого объема по отношению к определяю щим процесс критериям следует вычислить симплекс 0 для исследуемых тепловых режимов
|
(5) |
где |
#г — текущая температура на горизонтальной |
|
или вертикальной оси замкнутого объема; |
117
тнагр — средняя температура нагревателя; |
мо |
|
т — температура |
внутренней поверхности |
|
дели купола. |
автомодельности темпера |
|
Необходимым условием |
||
турных полей являются близкие значения симплекса |
0 |
|
для различных тепловых режимов. |
|
|
Для выполнения условия геометрического подобия |
||
были выбраны размеры куполов в */5 натуральной |
ве |
|
личины. Толщина криволинейной полуцилиндрической |
воздушной прослойки в опытах менялась в пределах от 10 до 70 мм. Такая толщина и полученный в опытах тем пературный перепад на ограничивающих прослойку по верхностях обеспечивали равенство критерия Релея RaCT
на модели и в натурных условиях, отнесенного к толщине прослойки б и температуре окружающей среды ts. Дли на плоского нагревателя на модели равна 1200 мм участ ка, освещаемого зенитным фонарем.
Соблюдение подобия физических констант в натуре и на модели трудно выполнимо при неизотермическом процессе. Поэтому на модели задавался температурный перепад, близкий к натурному. В этом случае с некоторой погрешностью можно принять, что коэффициенты тепло отдачи у внутренних поверхностей модели а„ равны соответствующим коэффициентам в натурных условиях ан. Светопропускающие криволинейные заполнения по луцилиндрической формы были изготовлены из органи ческого стекла толщиной 5 мм.
Принципиальная схема экспериментальной установ ки показана на рис. 1. Рабочий объем модели составляет 0,64 мг. Стенки модели выполнены из фанеры толщи ной 35 мм, утепленной с наружной стороны слоем мине ральной ваты толщиной 50 мм. Для создания необходи мого температурного режима смонтирован электрический нагреватель из нихромовой проволоки размерами тепло отдающей поверхности 1200x 740 мм. Для снижения количества тепла, передаваемого излучением, поверх ность нагревателя покрыта отражателем из алюмини евой фольги. Минимальный перепад температур между нагревателем и воздухом внутри объема принимался
.равным 10°, а максимальный — порядка 50°, что соответ ствовало изменению мощности нагревателя от 100 до 750 вт.
Во время эксперимента замеряли температуры: внутренней тв и наружной т„ поверхностей однослой
.118
ного купола (или «холодной» тв.х и «горячей» тв.г по верхностей, ограничивающих воздушную прослойку двухслойного купола), стенок, ограничивающих рабочий объем, поверхности нагревателя тнагр, воздуха по вы соте рабочего объема в трех местах tf . Всего исследова ли три однослойные модели с размером светового про ема 200X800 мм, высотой (стрелой подъема) соответ-
Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки
/ — модель купола; 2 — рабочий объем; 3 — теплоизоляция; 4 — ограж дающая стенка; 5 — электрический нагреватель; <5—термопары; 7—транс форматор напряжения; 8 — стабилизатор напряжения; 9 — переключа тель; 10 — сосуд Дюара; / / — потенциометр
ственно /i= l 00, 80, 40 мм и четыре двухслойные модели с толщиной воздушной прослойки 10, 30, 50, 70 мм при стреле подъема 100 мм. Опорный стакан зенитного фо наря моделировали соответствующей толщиной покры тия рабочего объема.
Каждую модель светопропускающего заполнения испытывали при десяти различных режимах нагрева. Замеры температур и фотографирование температур ных полей подкупольного пространства производили по достижении стационарного состояния. Время наступле ния стационарного режима составляло 4—5 ч после включения нагревателя.
Температурные поля в подкупольном пространстве и в воздушной прослойке и локальные коэффициенты теп лообмена на поверхности светопропускающих заполне ний определяли при помощи четырехзеркального интер ферометра ИЗК-454 с диаметром рабочего поля 225±
± 5 мм. При перемещении экспериментальной установ ки в вертикальном и интерферометра в горизонтальном направлениях возможно изучать процесс в подкуполь
Н 9
ном пространстве и в воздушной прослойке на одной модели-
Расшифровку интерферограмм и вычисление локаль ных коэффициентов теплообмена производили по мето дике, принятой в лаборатории тепло-и массообмена НИИСФ.
На основе изучения интерфорограмм было выяснено влияние радиуса и характерных размеров купола, а также восходящих конвективных токов воздуха на тем пературное поле и внутренний конвективный коэффи циент теплообмена.
Установлено, что при небольших значениях перерада • температур внутренней поверхности купола и окружаю щей среды под куполом отчетливо вырисовывается зона с почти постоянной температурой по высоте. С ростом перепада температур размеры «тепловой подушки» по степенно уменьшаются. При больших температурных на порах «тепловая подушка» исчезает в результате интен сивного "образования турбулентных завихрений.
Коэффициенты теплообмена определяли для четырех точек, равномерно расположенных по одну сторону от середины купола, так как картина конвективного дви жения симметрична относительно оси симметрии. При обработке опытных данных в критериальном виде в ка честве определяющей температуры принимали темпера туру внутренней поверхности модели купола т, а тем пературы окружающей среды — среднюю температуру внутреннего воздуха рабочего объема tf . Полученные локальные значения конвективных коэффициентов теплообмена и внутренней поверхности однослойных ку полов приведены в табл. 1.
Таким образом, коэффициент теплообмена остается практически постоянным по поверхности купола для каждого режима нагрева и не зависит от линейного раз мера. Это дало возможность принять в качестве опреде ляющего размера для построения безразмерного коэф фициента теплообмена длину дуги купола
(6)
На основании обработки опытных данных (рис. 2) получены коэффициенты С и п [1] для определения коэф фициентов локальной и средней теплоотдачи однослой-
120