10. Ionos folyadékok dielektromos jellemzőinek vizsgálata
10.6 A dielektromos tulajdonságok hőmérsékletfüggésének vizsgálata
Különösen fontos a különböző anyagok dilektromos tulajdonságainak vizsgálata a hőmérséklet függvényében. A gyakorlatban alkalmazott mikrohullámú kezelések egy azonos frekvencián történnek, azonban a behatás során a minta hőmérséklete folyamatosan változik és ezzel együtt változnak a dielektromos tulajdonságai is.
Az irodalomban hőmérsékletfüggő vizsgálatokról, vagy anyagok dielektromos tulajdonságainak hőmérsékletfüggéséről nagyon kevés információ található, ezek is inkább speciális anyagokra és alkalmazásokra vonatkoznak. A hőmérsékletfüggés vizsgálatára ezért kezdeti modell anyagként könnyen kezelhető, jól ismert anyagot célszerű választani, melynek vizsgálata során az esetlegesen felmerülő hibák könnyen felismerhetőek. Ilyen anyag a tiszta víz. A tiszta víz nagyon sok paraméterét, tulajdonságát, szerkezetét vizsgálták és ennek irodalmi adatai nagyon sok helyen hozzáférhetőek. Modell anyagként való alkalmazás mellett szól még az is, hogy az eddig alkalmazott vegyületek közül ez a „legbarátságosabb” anyag. Dielektromos tulajdonságainak hőmérsékletfüggése is megtalálható mint diagramm, mint képlet formájában [Kegel (1978)]. A hőmérsékletfüggés vizsgálata a 10-90 °C-os tartományban történt, aminek gyakorlati okai voltak. Elsősorban az, hogy nem kellett a vizet hűtőberendezésen keresztül áramoltatni, a kb. 10 °C-ra történő lehűtést jég alkalmazásával is meg lehetett oldani. A felső hőmérséklet értéket pedig a forrás elkerülése tette indokoltá. A mérés során a vizet a mintatartó csőben egy perisztaltikus pumpa tartotta folyamatos keringésben a túlmelegedés elkerülése érdekében. A minta hőmérsékletét a tápvonal elhagyása után a kilépési ponton egy félvezető alapú hőmérő méri, melynek pontossága előzetes mérések alapján lett meghatározva. A mérési folyamat során a besugárzott mikrohullámú energia hatására a minta hőmérséklete folyamatosan emelkedik, ezáltal a gyakorlati kezelésekhez teljesen hasonló körülmények között történik a dielektromos tulajdonságok vizsgálata. Ez a módszer ebben a tekintetben is újdonságnak számít, az irodalomban közölt mérési eljárásokhoz képest. Magasabb hőmérséklet elérése esetén a hőveszteség elkerülése érdekében a megfelelő hőszigetelésről gondoskodni kell, ez azonban gátolja a keringő minta megfigyelhetőségét. Ennek elkerülésére a víz és az ionos
folyadékok hőmérsékletfüggésének vizsgálata során egy kiegészítő fűtés került beiktatásra a rendszerbe.
10.7 Kapott eredmények
A mikrohullámú anyagkezelés során fontos tudni, hogy nem hőközlés, hanem hőkeltés történik, azaz a közölt mikrohullámú energia kölcsönhatásba lép a kezelendő anyaggal, és az anyag a rá jellemző dielektromos tulajdonságaiból adódóan az elektromos energiát hőenergiává alakítja át. Ennek az átalakítási folyamatnak makroszkópikusan észlelhető, mérhető megjelenése a kezelt anyag hőmérsékletének növekedése. A hőmérsékletnövekedés sebessége a mikrohullámú teret, és a kezelt anyagot jellemző tulajdonságoktól függ, amelyet a következő egyenlet ír le:
p az anyag egységnyi térfogatában elnyelődött mikrohullámú teljesítmény (W/m3), ρ az anyag sűrűsége (kg/m3), Cp az anyag fajhője (J/kg Ko), j állandó, E az anyagban kialakuló elektromos térerő ( V/m), f a frekvencia (Hz), ε”
dielektromos veszteség. [Schiffmann (1995]
A képletből látható, hogy a kezelt anyag hőmérséklete több tényező együttes hatására alakul ki, ezek hatásának külön-külön történő vizsgálata nem könnyű feladat, mert a ρ, Cp, ε” jellemzők önmagukban is hőmérsékletfüggők. Az E térerő értékének anyagon belüli pontos mérése nehéz feladat. Egyszerűbbé válik a helyzet, ha szigorúan csak egy vegyület család homológ sorát vizsgáljuk, mivel itt bizonyos egyszerűsítések megengedhetők.
A vizsgált ionos folyadékok ilyen szigorúan vett homológ sornak tekinthetők, mivel az imidazolium kation 1 és 3 helyzetében történő változtatások (R csoport változása metil. etil, propil, butil,) nem érintik a kation szimmetria viszonyait, – így polarizációs viszonyait sem - növelik azonban az ion térkitöltését és a tömegét. Ez utóbbi kettő kis mértékben befolyásolja, csökkenti a sűrűséget, ezzel szemben nagyobb mértékben befolyásolja a vezetőképességet és a viszkozitást, ami az ε” értékét módosíthatja. Ha feltételezzük, hogy a homológ soron belül a ρ és a Cp a hőmérséklet növelésével jelentősen nem változik, akkor a ρCp szorzatot közel állandónak tekinthetjük, így a hőmérséklet emelkedés sebességét az E és ε”
határozzák meg.
További egyszerűsítés tehető, ha monomodú készülékben, azonos mennyiségű és alakú mintát állandó mikrohullámú energiaközlés mellett vizsgálunk. Ekkor az E értékét ε’ határozza meg. Amennyiben az ε’ a homológ sorban a hőmérséklettel sokkal kevésbé változik mint az ε”, ekkor a hőmérséklet emelkedés sebességét alapvetően ε” értéke határozza meg.
A következő általánosított szerkezeti képlettel rendelkező új típusú ionos folyadékok hőmérséklet emelkedését vizsgáltuk (10.4 táblázat):
N N
O R O
R +
Y
-10.2 ábra. Ionos folyadékok egy csoportjának általánosított szerkezeti képlete Vegyület
száma
R Y
-1 CH3 BF4
2 C2H5 BF4
3 C3H7 BF4
4 C4H9 BF4
5 CH3 PF6
6 C2H5 PF6
7 C3H7 PF6
8 C4H9 PF6
9 C2H5 CI
10 C2H5 Br
11 C2H5 SCN
12 C2H5 N(CN)2
13 C2H5 N(SO2CF3)2
10.4 táblázat. A mérések során használt vegyületek összetétele
Az R csoport hatását két anion – BF4 (1-4 vegyület) és PF6 (5-8 vegyület) (10.4 táblázat) esetén vizsgáltuk 3 W és 5 W mikrohullámú teljesítmény esetén. Az eredmények azt mutatják, hogy az R csoport szénatom számának növekedésével csökken a hőmérsékletemelkedés sebessége. A mikrohullámú energia növelésével hőmérséklet emelkedési sebességek jelentősen közelítenek egymáshoz és a sorrendek esetenként változnak a hőmérséklet növekedésével, ez azonban nem jellemző. Összességében a hőmérsékletemelkedés sebessége, mind tendenciájában, mind sorrendjében követi ε’ és ε” és hőmérséklet függését, ami valószínűsíti, hogy egy szigorúan vett homológ soron belül ε” határozza meg egy adott ionos folyadék melegedését a mikrohullámú térben(10.3-10.5 ábrák).
40 60 80 100 120
0 20 40 60 80 100 120
Idő (másodperc)
Hőmérséklet (°C)
CH3-BF4 C2H5-BF4 C3H7-BF4 C4H9-BF4
10.3 ábra 1,3-bisz(alkoxi-etil)-imidazolium-tetrafluoro-borátok melegedési sebessége 3 W -on
6 8 10 12 14
20 40 60 80 100 120
Hőmérséklet (°C)
Dielektromos állandó
CH3-BF4 C2H5-BF4 C3H7-BF4 C4H9-BF4
10.4 ábra. 1,3-bisz(alkoxi-etil)-imidazolium-tetrafluoro-borátok dielektromos állandóinak hőmérséklet függése
0 5 10 15 20 25
20 40 60 80 100 120
Hőmérséklet (°C)
Dielektromos veszteség
CH3-BF4 C2H5-BF4 C3H7-BF4 C4H9-BF4
10.5 ábra. 1,3-bisz(alkoxi-etil)-imidazolium-tetrafluoro-borátok dielektromos veszteségeinek hőmérséklet függése
A szerves anionok esetén bonyolultabb a helyzet, a kisebb térkitöltésű és kevésbé
„gömbszimmetrikus” ionok esetén - SCN, N(CN)2 – gyorsabb a melegedés, de megnövelve a mikrohullámú teljesítményt, ez már nem igaz, a (CF3SO2)2N esetén, ahol meglepő módon megnő a hőmérséklet-emelkedés sebessége.
Megvizsgáltuk az ionos folyadékok villamos vezetőképességét is, és azt tapasztaltuk, hogy habár nem magas a mért érték (mintegy azonos értékű a csapvíz vezetőképességével), de mégis számottevő. Hőmérsékletfüggését vizsgálva látható, hogy a hőmérséklet növekedésével jelentősen növekszik. Ezt tapasztaltuk az anyagok dielektromos veszteségét vizsgálva is. Feltételezhető tehát, hogy az ionos folyadékok hőmérséklettel növekvő dielektromos veszteségének egyik fő oka, ezen anyagok hőmérséklettel növekvő vezetőképessége. Villamosan vezető anyagokban ugyanis elektromágneses tér hatására örvényáramok gerjesztődnek, tehát elektromos áram folyik az anyag belsejében. Ez az áram is melegíti az anyagot, és a létrehozásához szükséges energiát az elektromágneses térből vonja el. A 10.6 ábrán látható, hogy míg a vezetőképesség növekedése közel líneáris, addig a dielektromos veszteség négyzetes jellegű emelkedést mutat. A dielektromos veszteség gyorsabb növekedéséért tehát az ionos folyadék nem mikrohullámú térben mért vezetőképességén kívül egyéb jelentős tényező is felelős.
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05
25 35 45 55 65 75 85 95 105
115 Hőmérséklet (°C) 125
Villamos vezetés (S)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Dielektromos veszteség
Vezetőképesség Dielektromos veszteség
10.6 ábra (C2H5-PF6) 1,3-bisz(etil)-imidazolium-hexafluoro-foszfát villamos vezetőképességének és dielektromos veszteségének hőmérsékletfüggése A fejezetben tárgyalt mintaanyagokon túl, más ionos folyadékok mérési eredményei és diagrammjai megtalálhatók a függelékben.