CC BY
14
УДК 51-72:532.6
ЭФФЕКТ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АКТИВНОСТЬ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ СУСПЕНЗИЙ МЕДЬ/УГЛЕРОДНЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ В СРЕДЕ ИЗОМЕТИЛТЕТРАГИДРОФТАЛЕВОГО АНГИДРИДА
ТРИНЕЕВА В В., КОРОЛЕВА М.Р.
Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. В статье представлены впервые открытые эффекты ультразвукового воздействия на активность тонкодисперсных суспензий медь/углеродных нанокомпозитов в среде изометилтетрагидрофталевого ангидрида.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ультразвуковое воздействие, изометилтетрагидрофталевый ангидрид, нанокомпозит, моделирование, активность тонкодисперсных суспензий.
Ранее в статье [1] была поставлена задача исследования кавитационно-акустических воздействий на свойства жидких сред различной вязкости. Продолжение исследований направлено на выявление эффекта влияния ультразвукового воздействия на активность тонкодисперсных суспензий медь/углеродных нанокомпозитов. Активность тонкодисперсных суспензий заключается в способности значительно изменять физико-механические характеристики композиционных материалов. Полагаем, что активность суспензии, включающей металл/углеродный нанокомпозит, определяется тремя основными параметрами: 1) природой нанообъекта (химический состав, в том числе в сечении, геометрические и энергетические характеристики); 2) природой дисперсионной среды;
3) характером взаимодействия частиц друг с другом и с дисперсионной средой. На сегодняшний день активность тонкодисперсных суспензий преимущественно выявляется на последнем этапе при исследовании характеристик композиционного материала. Такой подход снижает эффективность применения нанообъектов в технологиях получения композиционных материалов. Поэтому проведение исследований в области анализа активности тонкодисперсных суспензий нанообъектов и поиск методов контроля при их получении на базе проведенных исследований является актуальной задачей на сегодняшний день.
В данной статье представлены результаты исследования и показаны впервые открытые эффекты влияния ультразвукового воздействия на активность тонкодисперсных суспензий медь/углеродных нанокомпозитов в среде изометилтетерагидрофталевого ангидрида.
Изометилтетрагидрофталевый ангидрид (ИзоМТГФА) является отвердителем для эпоксидных связующих и широко используется в технологиях получения полимерных материалов. Получение медь/углеродного нанокомпозита и его характеристики приведены в работах [2 — 4]. Методика получения суспензии описана в статье [1]. Для получения экспериментальных данных и теоретического расчета использовался ультразвуковой технологический аппарат «ВОЛНА-М» модели УЗТА-1/22-ОМ (максимальная потребляемая мощность 1000 кВт).
Первоначально проведено моделирование кавитационно-акустических воздействий на изометилтетрагидрофталевый ангидрид при различной мощности ультразвуковой установки.
Параметры среды (плотность, давление насыщенных паров, поверхностное натяжение, динамический коэффициент вязкости) напрямую влияют на амплитуду и частоту возникающих в ней волн звукового давления. Это в свою очередь оказывает влияние на процессы кавитации в жидкости: колебания кавитационной полости, температуру и давление внутри газового пузырька.
При численных расчетах параметры изометилтетрагидрофталиевого ангидрида принимались следующими:
- плотность ИзоМТГФА 1,21 г/см3;
— давление насыщенных паров 0,001 мм.рт.ст; поверхностное натяжение 0,040 Н/м; динамический коэффициент вязкости 0,04 Па-с.
Температура кипения изометилтетрагидрофталиевого ангидрида составляет 582 К.
Исследования процесса колебания одиночного воздушного пузырька в изометилтетрагидрофталиевом ангидрите показали, что при максимальной мощности ультразвукового технологического аппарата «ВОЛНА-М» модели УЗТА-1/22-ОМ амплитуда ультразвуковых колебаний составляет примерно 126 бар при частоте колебаний 40 кГц. При минимальной изучаемой мощности прибора (20 %) амплитуда колебаний уменьшилась до 11,3 бар, частота снизилась до 18 кГц.
Результаты численного моделирования одиночного воздушного пузырька в ИзоМТГФА при максимальной мощности прибора приведены на рис. 1.
Я, мкм 20
Р, бар 250
200
150
100
^мкс
Рис. 1. Изменение радиуса кавитационной полости (1), давления в жидкости (2) в ИзоМТГФА
при 100% мощности УЗТА «ВОЛНА-М»
Видно, что картина пульсаций воздушного пузырька периодическая. В течение первых 5 мкс радиус полости увеличивается до 22,4 мкм, затем резко уменьшается до 3,1 мкм, далее видны пульсации пузырька, в результате которых его радиус становится равным 4,2 мкм и картина повторяется. Максимальная температура газа в пузырьке в этом случае составила 367 К. Уменьшение мощности технологического аппарата до 20 % приводит к незначительным изменениям кавитационных характеристик одиночного воздушного пузырька в изометилтетрагидрофталиевом ангидриде. Максимальный радиус кавитационной полости составил 16,8 мкм, минимальный - 4,1 мкм. Наибольшее значение температуры при этом составило 356 К.
Таким образом, численное моделирование динамики кавитационного пузырька в изометилтетрагидрофталиевом ангидриде показало, что изменение мощности УЗТА практически не влияет на кавитационный процесс: температура, давление газа и размеры кавитационной полости изменяются незначительно.
Экспериментальная оценка активности металл/углеродных нанокомпозитов проводится по изменению интенсивности и полуширины полос в ИК-спектрах. Поскольку возможна переориентация молекул среды под действием металл/углеродного нанокомпозита, естественно ожидать значительного увеличения интенсивности полос в области
определенных значений волновых чисел на ИК-спектрах. Регистрацию ИК-спектров проводили на ИК Фурье-спектрометре ФСМ 1201, управляемым программным обеспечением FSpec. Согласно проведенному численному моделированию экспериментальные исследования проведены для изометилтетрагидрофталевого ангидрида, обработанного при различной мощности ультразвуковой установки (рис. 2).
1 - без ультразвукового воздействия,
2 - ультразвуковое воздействие 20 % от мощности прибора,
3 - ультразвуковое воздействие 40 % от мощности прибора,
4 - ультразвуковое воздействие 60 % от мощности прибора
Рис. 2. Изменение ИК-спектров пропускания изометилтетрагидрофталевого ангидрида в зависимости от мощности ультразвукового воздействия
Результаты экспериментальных данных показали, что изменение ультразвукового воздействия не влияет на физико-химические свойства изометилтетрагидрофталевого ангидрида. В ходе эксперимента температура жидкости не поднимается выше 333 К. По данным численного моделирования максимальная температура газа в пузырьке изменяется в зависимости от мощности ультразвукового воздействия от 356 - 367 К. При этом необходимо отметить, что при температуре ниже 293 К возможна кристаллизация изометилтетрагидрофталевого ангидрида. При получении композиционных материалов изометилтетрагидрофталевый ангидрид специально нагревают до температуры 323 - 333 К. Поэтому различная мощность ультразвукового воздействия в пределах расчетных с помощью численного моделирования не будет оказывать влияние на физико-химические свойства среды. Исследование изменения временного интервала ультразвукового воздействия на тонкодисперсную суспензию металл/углеродного нанокомпозита в среде изометилтетрагидрофталевого ангидрида при сохранении постоянной мощности ультразвукового воздействия показало иную картину в спектрах.
1
На рис. 3 представлены ИК-спектры тонкодисперсной суспензии медь/углеродного нанокомпозита (ю = 0,001 %) на основе изометилтетрагидрофталевого ангидрида. ИК-спектры получены после ультразвукового воздействия 20 % от мощности прибора в течение 7 и 10 минут. Для сравнения на рис. 3 присутствует ИК-спектр контрольного образца изометилтетрагидрофталевого ангидрида. Характеристические частоты приведены в табл. 1.
0 500 10ОО 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Рис. 3. Изменение ИК-спектров тонкодисперсной суспензии медь/углеродного нанокомпозита (ю = 0,001 %) на основе изометилтетрагидрофталевого ангидрида
Таблица 1
Характеристические частоты и соотношения их интенсивностей при разном времени ультразвукового воздействия
№ п/п V (см-1) 17/1е 110/1« Отнесение
1 1776,6 3,7932 0,7574 С=0 st as
2 1271,1 1,0364 0,8833 С-О-С
3 945,15 6,8592 0,8533 С-О-С
4 1844,1 2,5065 0,9115 С=О ЭУ
5 3039,1 2,3849 0,9589 С-Н
При этом необходимо отметить, что при ультразвуковом воздействии на тонкодисперсную суспензию медь/углеродного нанокомпозита в среде изометилтетрагидрофталевого ангидрида в течение 3, 5, 10 и 15 минут значительных изменений как при ультразвуковом воздействии в течение 7 минут в сравнении с контрольным спектром не зафиксировано.
Значительное изменение пиковых интенсивностей проявляется в области характерных полос волновых чисел 920 - 950 см-1, 1770 — 1870 см-1. Повышение интенсивности связано с переориентацией молекул, их структурированием и усилением колебаний молекул под действием медь/углеродного нанокомпозита. Концентрация медь/углеродного
нанокомпозита незначительна, поэтому на ИК-спектрах не зафиксировано изменение ширины пиков, связанное с формированием координационных соединений. Таким образом, гипотеза влияния медь/углеродного нанокомпозита на дисперсионную среду, в нашем случае, на изометилтетрагидрофталевый ангидрид, заключается в особом электронном строении медь/углеродного нанокомпозита. Наличие «свободных» электронов на углеродной оболочке, в результате перехода электронов от металлической частицы или в процессе синтеза нанокомпозита превращает полученную частицу металл/углеродного нанокомпозита в «колеблющийся диполь». Из литературных данных [5] известно, что электромагнитное воздействие способно изменять структуру полимера и изменять его физико-механические свойства. Нахождение медь/углеродного нанокомпозита (наноразмерного источника электромагнитного поля) в среде приводит к изменению условий ориентации молекулярной цепи. Ультразвуковое воздействие стимулирует влияние медь/углеродного нанокомпозита на среду за счет усиления колебаний частицы. При этом зафиксировано, что при времени ультразвукового воздействия 3 и 5 минут на тонкодисперсную суспензию медь/углеродного нанокомпозита в среде изометилтетрагидрофталевого ангидрида наблюдается повышение интенсивности, но менее впечатляющее, чем при ультразвуковом воздействии в течение 7 минут. При малом времени воздействия колебания частицы металл/углеродного нанокомпозита не достигают оптимальных значений, чтобы произошли выраженные ориентационные изменения в среде. С ростом времени воздействия наблюдается снижение интенсивности во всем диапазоне характеристических частот, связанное с ростом поступательного движения частиц и началом процессов их агломерации. Проведенные исследования на приборе акустического спектрального анализа PA Fast Sizer 100 показали увеличение размера частиц с ростом времени ультразвуковой обработки. При воздействии в течение 7 минут средний размер частиц составлял 30 нм, при увеличении времени ультразвуковой обработки до 10 минут, средний размер частиц составил 45 нм.
Выявленный эффект влияния ультразвукового воздействия на активность тонкодисперсных суспензий медь/углеродных нанокомпозитов в среде изометилтетрагидрофталевого ангидрида позволил получить новое поколение материалов с улучшенными физико-механическими характеристиками. В табл. 2 приведены результаты испытаний стержневых элементов из стеклопластика. Результаты испытаний показали повышение прочности на разрыв до 75 % и соответствие требованиям ГОСТ 31938-2012.
Таблица 2
Сравнительные результаты испытаний стержневых элементов из стеклопластика с металлическими стержневыми элементами
Наименование d, мм Прочность на разрыв, МПа
Стеклопластиковая арматура 8 1240
Стальная арматура 10 700
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что активность тонкодисперсной суспензии медь/углеродного нанокомпозита в среде изометилтетрагидрофталевого ангидрида для модификации композиционных материалов регулируется временем обработки ультразвуком и контролируется максимальным соотношением интенсивностей ИК-спектров модифицированной с помощью нанокомпозита и чистой среды при одинаковых волновых числах.
Работа выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований УрО РАН, проект № 12-Т-1-1006.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Королева М.Р., Тринеева В.В. Влияние кавитационно-акустических воздействий на свойства жидких сред различной вязкости, в том числе при введении сверхмалых количеств металл/углеродных наночастиц // Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 16, № 1. С. 93-102.
2. Тринеева В.В., Кодолов В.И., Денисов В.А., Волкова Е.Г. Применение оксидов металлов для синтеза углеродных металлсодержащих наноструктур // Цветные металлы. 2010. № 3. С. 76-78.
3. Тринеева В.В., Вахрушина М.А., Булатов Д.Л., Кодолов В.И. Получение металл/углеродных нанокомпозитов и исследование их структурных особенностей // Нанотехника. 2012. № 4. С. 18-20.
4. Кодолов В.И., Тринеева В.В. К вопросу о теории модифицирования полимерных материалов сверхмалыми количествами металл/углеродных нанокомпозитов // Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 15, № 3. С. 357-369.
5. Калганова С.Г. Электротехнология нетепловой модификации полимерных материалов в СВЧ электромагнитном поле : дис. докт. техн. наук. Саратов, Саратов. гос. техн. ун-т. 2009. 48 с.
THE SONICATION EFFECT ON ACTIVITY OF CU/C NANOCOMPOSITES SUSPENSIONS IN THE ISOMETHYLTETRAHYDROPHTHALIC ANHYDRIDE (C<,H10O3)
Trineeva V.V., Koroleva M.R.
Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY: The paper presents for the first time discovered effects of sonication on activity of Cu/C nanocomposites suspension in the isomethyltetrahydrophthalic anhydride (C9Hi0O3).
KEYWORDS: ultrasonic effect, isomethyltetrahydrophthalic anhydride (C9H10O3), metal/carbon nanoparticles, modeling, activity of fine suspension.
Тринеева Вера Владимировна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412)20-34-76, e-mail: [email protected]
Королева Мария Равилевна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: [email protected]
