Калашников Сергей Васильевич Акустическая сепарация нанопорошков по размерам частиц развитие метода и приложения Калашников Сергей Васильевич

brief description

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова"
На правах рукописи

Калашников Сергей Васильевич
АКУСТИЧЕСКАЯ СЕПАРАЦИЯ НАНОПОРОШКОВ ПО РАЗМЕРАМ ЧАСТИЦ: РАЗВИТИЕ МЕТОДА И ПРИЛОЖЕНИЯ
Специальность 05.16.08 - Нанотехнологии и наноматериалы (металлургия и материаловедение)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук,
доцент Номоев Андрей Валерьевич
Улан-Удэ - 2019

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 6
Глава 1
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ПО РАЗМЕРАМ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ.................................................................. 13
1.1 Наноразмерные материалы....................................................................... 13
1.2 Влияние способа получения нанопорошков на их гранулометрический
состав................................................................................................................. 14
1.2.1 Гранулометрический состав порошков, полученных газофазным
синтезом.......................................................................................................... 14
1.2.2 Гранулометрический состав порошков, полученных осаждением
коллоидных растворов................................................................................... 16
1.2.3 Гранулометрический состав порошков, полученных
плазмохимическим методом........................................................................... 16
1.2.4 Гранулометрический состав порошков, полученных методом
электрического взрыва проводников............................................................ 17
1.2.5 Механические методы получения ультрадисперсных порошков.. 18
1.3 Известные методы разделения частиц по размеру................................... 19
1.3.1 Седиментационное разделение......................................................... 20
1.3.2 Центрифугирование.......................................................................... 22
1.3.3 Фильтрование.................................................................................... 23
1.3.4 Адсорбционные методы.................................................................... 24
1.3.5 Аэродинамическое разделение......................................................... 24
1.3.6 Акустическое разделение.................................................................. 26
1.3.7 Грохотание........................................................................................ 27
1.3.8 Электромагнитное разделение......................................................... 27
1.3.9 Броуновская диффузия..................................................................... 28
1.3.10 Вибрационная сегрегация............................................................... 29
1.3.11 Гель-электрофорез и диэлектрофорез............................................ 29
Выводы по первой главе.................................................................................. 30
Г лава 2
ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ... 31
2.1 Методы и приборы, используемые при экспериментальном исследовании 31
2.1.1 Просвечивающая электронная микроскопия................................... 31
2.1.2 Атомно-силовая микроскопия.......................................................... 32
2.1.3 Рентгеновский анализ........................................................................ 32
2.1.4 Центрифугирование.......................................................................... 33
2.1.5 Метод динамического рассеивания света......................................... 34
2.1.6 Установка акустического разделения............................................... 35
2.1.7 Установка для определения температурного объемного коэффициента
расширения резины и создаваемого ею давления....................................... 37
2.1.8 Растровая электронная микроскопия, твердомеры......................... 38
2.2. Исследуемые образцы............................................................................... 39
2.3 Методология эксперимента....................................................................... 42
Выводы по второй главе.................................................................................. 43
Г лава 3
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА РАЗДЕЛЕНИЯ... 44
3.1 Обзор работ, посвященных моделированию акустических течений...... 44
3.2 Численная модель потоков среды для бесконечного луча...................... 47
3.3 Эксперимент по фигурам Хладни в рамках модели................................ 53
3.4 Расчет векторного поля СКОРОСТИ над поверхностью кантилевера.. 55
3.5 Экспериментальная проверка влияния аэродинамических процессов на
образование фигур Хладни.............................................................................. 60
3.6 Компьютерное моделирование потоков газа и распределения частиц над
колеблющейся пластиной................................................................................. 64
3.7 Физические причины перераспределения частиц по размерам.............. 70
3.7.1 Гравитационно-механическая причина образования фигур Хладни с
частицами, удерживающимися на пучности................................................. 70
3.7.2 Аэродинамическая природа образования фигур Хладни с частицами на
пучностях........................................................................................................ 73
3.8 Итоговые замечания по моделированию.................................................. 86
Выводы по третьей главе.................................................................................. 88
Г лава 4
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ..................... 90
4.1 Экспериментальные данные по акустическому разделению наночастиц 90
4ЛЛЭксперименты с Макрофигурами Хладни......................................... 90
4.1.2 Разделение на поверхности пьезоэлемента и кантилевера............. 92
4.2 Экспериментальные данные по дифференциации наночастиц по размерам в
поле центробежных сил.................................................................................... 97
4.2.1 Разделение при малом центробежном ускорении........................... 99
4.2.2 Разделение при большом центробежном ускорении.................... 103
4.2.3 Теоретическое обобщение экспериментальных данных по разделению
в поле центробежных сил............................................................................. 105
4.3 Сравнительный анализ акустического и центробежного методов
разделения....................................................................................................... 113
4.4 Возможная техническая реализация акустического метода разделения .... 115
Выводы по четвертой главе............................................................................ 116
Г лава 5
ПРИКЛАДНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ, ИМЕЮЩИХ СУЖЕННЫЙ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ.............................................................. 117
5.1 Параметры порошков, используемых для модифицирования материалов. 117
5.2 Модифицирование жидких кристаллов.................................................. 118
5.2.1 Измерение диэлектрической анизотропии жидкокристаллических
пленок............................................................................................................ 119
5.2.3 Измерение дипольного момента наночастиц................................. 122
5.3 Модифицирование силиконового компаунда......................................... 126
5.3.1 Результаты экспериментов.............................................................. 127
5.3.2 Внедрение результатов работы в производство........................... 132
5.4 Модифицирование силумина.................................................................. 134
5.4.1 Введение........................................................................................... 134
5.4.2 Экспериментальная часть............................................................... 135
5.4.3 Результаты и обсуждения............................................................... 136
Выводы по пятой главе................................................................................... 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................... 143
Список литературы............................................................................................. 146
Приложение
АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВО...................................................... 159
ВВЕДЕНИЕ
Дисперсные системы чрезвычайно широко распространены в природе. Так, например, дисперсные системы и коллоидно-химические явления наблюдаются и далеко за пределами Земли. Как известно, межзвездная материя состоит главным образом из газов и пыли. Земля и водоемы, а также атмосфера, ее окружающая, представляют собой дисперсные системы. Реки планеты и ветры переносят мил­лиарды тонн породы, которая превращается в твердые частицы дисперсной фазы. Такими же частицами становятся также пыльца, семена и остатки растений. Рас­тет применение дисперсных материалов в науке и различных отраслях техники.
Актуальность данного исследования определяется необходимостью эф­фективного практического применения и исследования различных нанодисперс­ных порошков. Большая часть методов получения нанопорошков дает продукт с широким гранулометрическим составом, что часто является недостатком при их применении.
Решение проблемы экспериментального разделения наночастиц, в том чис­ле и в виде коллоидных систем, в первую очередь необходимы при решении за­дач современного материаловедения, микроэлектроники, аналитической химии, биохимии и др. Надежные методы разделения открывают новые возможности для сортировки и манипуляции частицами, клетками и органеллами в зависимости от их размеров. Нанодисперсные порошки широко применяются при производстве резиновых и смазочных материалов, эмалей, клеев, адсорбентов в хроматографии и медицине. Частицы различного размера имеют, как правило, разные свойства, которые не могут быть адекватно изучены, пока частицы не разделены на отдель­ные фракции с узким распределением по размеру. Важно, например, определение наиболее оптимального размера наночастиц для модифицирования полимеров, эмалей и резин [1].
В качестве основного объекта исследования выбран нанопорошок диоксида кремния, широко применяемый в настоящее время в различных областях про­мышленности. В частности, добавки на основе наночастиц диоксида кремния по­зволяют улучшить физико-механические свойства полимерных материалов, бето- нов, керамик: повысить термостойкость, увеличить прочность и микротвердость. Это позволяет использовать получаемые материалы для решения новых приклад­ных задач [2,3,4]. При этом свойства композита или керамики начинают зависеть и от свойств ультрадисперсного материала, которые определяются преимущест­венно размером частиц. Так же в работе использован нанопорошок меди.
Учитывая это, для прикладного использования нанопорошков необходим метод массового их разделения по размерам. Учитывая малые размеры и массу наночастиц, необходима разработка новых или модификация существующих ме­тодов разделения.
Степень разработанности темы исследования
В 2007 г. эксперименты М. Доррестийна и др. (Базельский университет, Швейцария) [5] показали, что наноразмерные колебания кантилевера в жидкости или газе заставляют частицы, ранее покоящиеся на поверхности, двигаться либо к узлам, либо к пучностям стоячей волны в зависимости от их размеров, что опре­деляется акустическими течениями среды. Агрегированные в пучностях и узлах частицы могут быть транспортированы в перпендикулярном направлении и раз­делены. Однако в приведенной работе авторы лишь показали возможность аку­стического разделения на основе заранее отобранных центрифугированием моно­размерных частиц двух массивов с размерами 4 и 0,5 мкм и при достаточно узких условиях. Теоретические модели относительно взаимодействия потоков среды и частиц над колеблющейся пластиной так же приводил Хенк Ян ван Г ернер (Уни­верситет Твенте, Нидерланды) в 2013 г.
Однако до сих пор метод не используется из-за:
1. отсутствия исследований по разделению реальных нанопорошков, произво­димых различными методами и имеющих большой диапазон размеров час­тиц;
2. требуемой, согласно ранее проведенным исследованиям, высокой частоты колебаний для разделения наночастиц, и как следствие, малых размеров ко­леблющейся поверхности, трудностей при практическом применении;
3. ограниченностью (по точности) теоретических и экспериментальных данных о потоках вязкой среды над поперечно колеблющимися поверхностями;
4. отсутствия сравнительного анализа эффективности акустического разделе­ния с другими известными методами, например, с центрифугированием.

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе проведено исследование, посвященное решению одной из прикладных проблем современного материаловедения. Новый класс ма­териалов - в том числе дисперсионные - обладают очевидными преимуществами и перспективностью использования в технике XXI века. Так же быстро, как и ста­новление новой дисциплины, в ней наметились основные научные, технические, социальные и экологические проблемы.
Технические проблемы в первую очередь связаны с трудностью получения чистых веществ с заданным (и одинаковым) размером структурных элементов. Отсюда естественным образом вытекает задача разделения дисперсионных мате­риалов по размерам. Несмотря на то, что наука и техника уже сталкивалась с по­добной задачей не раз, все же сегодняшние материалы предъявляют новые требо­вания к методике разделения, и она идет по революционному пути: создаются но­вые методы разделения, используются физические параметры и явления, на кото­рые ранее не обращали внимания. Одно из таких явлений исследовано в настоя­щей работе - метод акустического разделения. Другой рассмотренный метод - разделение в поле центробежных сил известен давно, однако в нанотехнологии имеет ограниченное применение.
Основные результаты работы можно свести к следующим пунктам:
1. Показано, что разделение наночастиц по размерам методом их пространствен­ного перераспределения в узлы и пучности колебаний возможно на кантилеве­ре сравнительно больших размеров или поверхности пьезоэлемента, что важно для практического применения акустического метода разделения. При этом концентрация частиц меньшего размера происходит на пучности колебаний, большего размера - на узловой линии.
2. Было показано экспериментально, что именно потоки среды над поперечно ко­леблющейся твердой поверхностью являются причиной концентрации частиц на пучностях, и следовательно, разделения частиц по размерам.
3. Проведенное численное моделирование выявило потоки Рэлея над колеблю­щейся пластиной. На основе моделирования и анализа данных нелинейной аку­стики выявлено направление обращения потоков в акустическом пограничном слое, показан механизм взаимодействия выявленных потоков с частицами раз­ных размеров, приводящий к их пространственному разделению.
4. Проведение моделирования с использованием частиц позволило выявить еще один механизм образования фигур Хладни с частицами, расположенными на пучностях колебаний - гравитационно-механический. Однако было показано, что в реальном эксперименте данный процесс не проявляется.
5. На основе анализа движения частиц и сил, действующих на них, была показана зависимость размера разделяемых частиц от амплитуды колебаний при низких частотах, выявлено, что существует еще одна причина движения частиц к пуч­ности, основанная на вычислении усредненной скорости потока среды в ла- гранжевых координатах.
6. Экспериментально показаны возможности акустического разделения в различ­ной среде (воздух, вода), при разном давлении, частоте колебаний, используе­мых разделяемых материалах и колеблющихся систем. Измерение размера час­тиц, взятых из различных областей, показало эффективность разделения.
7. Экспериментально установлено влияние на эффективность разделения нанопо­рошков в поле центробежных сил параметров этого поля и методики каскадно­го разделения, которое позволяет отобрать наночастицы с различным диапазо­ном размеров из исходного полиразмерного порошка. Установлена математи­ческая закономерность, позволяющая рассчитывать эффективность разделения наночастиц при заданных условиях в поле центробежных сил, или, наоборот, выбирать условия исходя из необходимой эффективности разделения.
8. Проведено сужение распределения по размерам нанопорошка диоксида крем­ния с различным средним диаметром частиц акустическим и центробежным способом, которые могут быть использованы в практических целях.
9. В исследовании модифицирования жидких кристаллов наночастицами показа­но, что размер композитных наночастиц (который можно изменять рассмот­ренными методами разделения) может влиять на быстродействие жидких кри­сталлов.
10. Проведено модифицирование силиконовой резины и алюминиевого сплава на­ночастицами диоксида кремния с рядом значений их среднего размера, пока­завшее возможность изменять удельное давление при тепловом расширении ре­зины и твердость сплава в зависимости от размера введенных наночастиц. Про­ведена успешная опытно-промышленная апробация наномодифицированных изделий из кремнийорганической резины и силумина в условиях производства.
Анализ исследования по модифицированию жидких кристаллов различны­ми наночастицами, применение разделенных нанопорошков для модификации кремнийорганического компаунда и силумина, проведенного в рамках данной ра­боты в виде модельных экспериментов, показало, что размер частиц примененных порошков оказывает влияние на макропараметры веществ и доказало актуаль­ность работы.
В настоящее время ведутся активные разработки по увеличению эффектив­ности способов получения, исследований свойств и методов разделения нанома­териалов. Так же будут развиваться и рассмотренные в работе методы дифферен­циации наночастиц по размерам.