УСТАНОВКА ДЛЯ СТАРЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Область, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области испытаний и может использоваться для ускоренных испытаний на старение полимерных материалов.
Уровень техники
Известны установки для старения пластмасс «Ксенотекст 150» и «Ксенотекст 450» (1. Павлов Н.Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях. М: Химия, 1982, стр. 37), содержащая одну трубчатую ксеноновую лампу и кассеты, в которых расположены образцы. Недостатком указанных установок является то, что все экспонируемые образцы получают одинаковое световое облучение.
Наиболее близким техническим решением является установка для ультрафиолетового облучения (2. Лысенко Н.П. Прогнозирование и технологические условия повышения долговечности пенополиуретана для строительных изделий. 2007, стр. 69. Диссертация на соискание учен, степени к.т.н.), в которой образцы для старения расположены вокруг ультрафиолетовой лампы (УФ-лампы) на одинаковом расстоянии с защитным экраном в форме правильного цилиндра и вытяжкой для охлаждения УФ-лампы и удаления озона. Недостатком данной установки является также то, что все, расположенные вокруг ультрафиолетовой лампы на одинаковом расстоянии, образцы за одинаковый отрезок времени получают одинаковое световое облучение.
Известно, что освещенность поверхности тела обратно пропорционально квадрату расстояния от него до источника света (закон обратных квадратов) (3. Бутиков Е.И. Оптика: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Н.И. Калитеевского. - М.: Высш. шк., 1986, стр. 68)
Раскрытие полезной модели
Задачей данной полезной модели является создание установки старения, в которой одновременно экспонированные образцы получали бы различные степени облученности.
Техническим результатом является получение за время одной экспозиции нескольких партий с одинаковыми количествами образцов, облученных как за различные по продолжительности периоды времени.
Ограничительные: установка с УФ-лампой, кассеты с испытуемыми образцами, вытяжкой для охлаждения УФ-лампы и удаления озона.
Отличительные: кассеты с одинаковыми количествами экспонируемых образцов устанавливаются вокруг УФ-лампы как от центра, не оттеняя друг друга таким образом, чтобы закрепленные на них образцы располагались по линии дуг окружностей с радиусами, равными отношению базового расстояния самой удаленной кассеты к корню квадратному от натурального ряда чисел.
Технический результат достигается усилением облучения ультрафиолетовыми лучами испытуемых образцов кассет по отношению к образцам базовой кассеты за счет увеличения освещенности по закону обратных квадратов расстояния их расположения от УФ-лампы.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 приведен вид кассеты для закрепления образцов.
На фиг. 2 представлена схема для расчета расположения и радиусов дугообразных прорезей кассет установки для старения по отношению источника света. Осуществление полезной модели
1
Установка представляет собой УФ-лампа 1 (Фиг. 2), вокруг которой расположены кассеты с дугообразными прорезами одинаковой длины, где закрепляются экспонируемые образцы. Кассета представляет собой прямоугольную раму (Фиг. 1). Высота боковых стоек рамы определяется размерами образца и зажимными деталями. Нижняя и верхняя стороны рамы имеют дугообразные прорезы для фиксации образцов. Радиусы дуг прорезей для каждой кассеты рассчитываются согласно принятому базового расстояния для самой удаленной кассеты. При этом УФ-лампа и образцы расположены параллельно друг к другу, а расстояние от лампы до дугообразных прорезей разных кассет соответствует отношению  где k=2, 3, …; R - радиус дуги кассеты, наиболее удаленной от УФ-лампы 1 (Фиг. 2).
Световая энергетическая экспозиция (инсоляция) поверхности тела (материала), подвергнутой световому (радиационному) облучению, выражается формулой (3. Бутиков Е.И. Оптика: Учеб. пособие для вузов / Под ред. Н.И. Калитеевского. - М.: Высш. шк., 1986, стр. 67):
2
В формуле (1) Е - энергетическая освещенность, t - время экспозиции. Единица измерения энергетической экспозиции Н - Дж/м.
Создаваемая равномерным точечным источника света освещенность поверхности тела обратно пропорциональна квадрату расстояния ее R до источника света (закон обратных квадратов):
в котором J - энергетическая сила света (сила излучения), ϕ - угол наклона нормали освещаемой поверхности к направлению на источник света. Если поверхность не имеет наклона относительно направления источника света, т.е. ϕ=0, то имеем
Из формулы (1) видно, что, если мы хотим за один срок экспозиции получить двойную дозу облучения, то мы должны два раза увеличить значение освещенности Е. Эта та же самая доза облучения, полученная за два срока экспозиции при не измененной освещенности, т.к. 2Н=(2E)t=E(2t). Таким же образом мы за один срок экспозиции можем получить k раз большую дозу облучения как за k сроков экспозиции, увеличив освещенность в k раз, т.е. kH=(kE)t=E(kt).
1
k
1
k
1
k
1
Для изменения значения освещенности соответствующим образом, примем некоторое фиксированное значение расстояния R=R базовым. Для некоторой продолжительности экспозиции, нам надо решить уравнение Et=kEt, в котором  при неизменных значениях силы света и времени. После упрощения исходного уравнения получим соотношения  где k=2, 3, (для определения расстояний R, на котором значение освещенности будет k раз больше чем на расстоянии R. Таким образом, экспонируемый образец, расположенный на расстояние R от источника света получит k раз большую дозу облучения, чем образец, расположенный на базовое расстояние R за один и тот же период времени экспозиции.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
На основании сделанных выкладок, предлагается такая конструкция установки, в которой экспонируемые образцы располагались бы на различные расстояния от источника света. Приведем пример, в котором 5 кассет с партиями образцов располагаются на 5 различных расстояниях от источника света. L, L, L, L, L - линии дуг окружностей с радиусами R, R, R, R, R соответственно (Фиг. 2). Углы зрения кассет α, α, α, α, α выбраны так, чтобы длины дуг L, L, L, L, L были равными, что обеспечивает расположения по ним одинакового количества образцов с равными линейными размерами. При R=50, R=35,4, R=28,9, R=25, R=22,4 (см) углы зрения кассет равны: α≈43°, α≈61°, α≈74°, α≈86°, α≈96°.
s
s
1
1
2
Приведем пример расчета того, что какой силой излучения ультрафиолета, подобного излучению солнца, должна обладать лампа, чтобы исследуемый образец за 730,5 часов (1/12 часть года) получил облучение равное среднегодовой солнечной инсоляции (т.е. ускорить время в 12 раз). Известно, что среднегодовая, т.е. за период времени t=1 год=730,5×3600×12 сек, суммарная инсоляция на горизонтальную поверхность земной поверхности в климатических условиях г. Якутска равна H=Et=3726⋅МДж/м (4, http://www.solbat.su/meteorology/insolation). Значит, солнце на поверхность земли создает среднегодовую освещенность равную  Такую освещенность на расстояние R=50 см=0,5 м создаст лампа с силой излучения ультрафиолета  Для уменьшения длительности экспозиции в 12 раз требуется иметь лампу с силой излучения ультрафиолета J=29,52×12=345,21 Вт. Такая лампа на расстояние 50 см создает освещенность E=354,21/0,25=1416,84 Вт/м. Если такую лампу использовать в качестве источника света внутри установки с геометрическими параметрами, описанными выше, то за одну экспозиции продолжительностью 730,5 часов мы получим 5 партий образцов, облученность которых соответственно будут приравнены 1-му, 2-ум, 3-ем, 4-ем, 5-ти годам солнечной инсоляции.
С точки зрения чистоты эксперимента предлагаемая установка идеальная, т.к. в разные годы, особенно в весенние и летние дни дым от длительных лесных пожаров и облачность могут внести существенную погрешности в суммарную облученность образцов, экспонированных в естественных условиях, в отличие от образцов, облученных в предлагаемой установке.
Таким образом, разработана установка, в которой за время одной экспозиции можно получить партии с одинаковым количеством образцов одного и того же размера, экспонированных в идеально одинаковых условиях и облученных как за различные заданные периоды времени.