Научная статья на тему 'Электрофизические свойства высокомолекулярных углеводородных фракций'

Электрофизические свойства высокомолекулярных углеводородных фракций Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
288
39
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
ВЫСОКОКИПЯЩИЕ УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ФРАКЦИИ / МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СПИНОВЫЕ СТЕКЛА / ДИЭЛЕКТРИК / ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ / ИМПЕДАНС / ТАНГЕНС УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ / ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ / ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК / HIGH-BOILING HYDROCARBON FRACTIONS / MULTICOMPONENT ORGANIC SPIN GLASSES / DIELECTRIC / DIELECTRIC PERMITTIVITY / IMPEDANCE / TANGENT OF THE ANGLE OF DIELECTRIC LOSSES / CONDUCTIVITY / PHASE TRANSITION DIELECTRIC-SEMICONDUCTOR

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Петров А.М., Доломатов М.Ю., Бахтизин Р.З., Рыжиков О.Л., Хайрудинов И.Р.

Изучены особенности фазового перехода «диэлектрик-полупроводник» в высококипящих углеводородных фракциях. Температурная зависимость электропроводности высококипящих углеводных фракций образует излом в области температур 65-85 °С, тангенс угла диэлектрических потерь резко возрастает после достижения 65-85 °С. Активное сопротивление образцов ВУФ снижается при нагревании до 65-85 °С с 0.55 МОм до 0.5 МОм для ВБО и с 0.47 МОм до 0.42 МОм для АПД, а затем резко возрастает до 0.8 МОм, при этом комплексное и реактивное сопротивления продолжают уменьшаться при дальнейшем нагревании. Все эти факты подтверждают гипотезу авторов о том, что в образцах ВУФ в области температур 65-85 °С происходит фазовый переход из состояния «диэлектрик» в состояние «полупроводник». Рост электропроводности в высококипящих углеводородных фракциях обеспечивается температурной генерацией носителей заряда свободных радикалов (спинов), образующихся в результате разрыва слабых углерод-углеродных связей, ослабленных сопряжением с ароматическими кольцами. Энергии разрыва таких связей достаточно низка и может достигать 40 кДж/моль. Процесс генерации свободных радикалов является обратимым, что подтверждается существованием температурного гистерезиса электропроводности. Данные ЭПР подтверждают наличие генерации стабильных свободных радикалов с повышением температуры в образцах высококипящих углеводородных фракций увеличивается концентрация парамагнитных центров. Фазовый переход «диэлектрик полупроводник» также обусловлен генерацией стабильных свободных радикалов, так как они являются сильными акцепторами электронов и снижают ширину запрещенной зоны материала.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Петров А.М., Доломатов М.Ю., Бахтизин Р.З., Рыжиков О.Л., Хайрудинов И.Р.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ELECTRICAL PROPERTIES OF HIGH-BOILING PETROLEUM FRACTIONS

The features of the phase transition “dielectric-semiconductor” in the high-boiling hydrocarbon fraction were studied in this paper. The temperature dependences of the electrical conductivity of the high-boiling hydrocarbon fractions has a kink in the temperature range about 65-85 oC, and tangent of the angle of dielectric losses increase after reaching 65-85 oC. The impedance and reactance resistance of the high boiling fractions is decreasing on all temperature range from 25 to 145 oC, but active resistance of the high boiling fractions has been decreasing only to 65 oC and increases after reaching 85 oC. All these facts confirm the author’s hypothesis that there is a phase transition from a state “dielectric” to state “semiconductor” in temperature range 65-85 oC. The increase of the high-temperature hydrocarbon fractions conductivity provide by the generation of charge carriers free radicals (spin), that are formed by the decoupling of weak carbon-carbon bonds, impaired by conjugation with aromatic rings. The energy gap of such bonds may reach 40 kJ/mol. The process of generating free radicals is invertible, as confirmed by the presence of the temperature hysteresis of conductivity. The existence of a stable free radical generating confirmed by EPR data when temperature of the high-boiling hydrocarbon fractions samples is increasing, the concentration of the paramagnetic centers is increasing too. Generation of the stable radicals also provides a phase transition “dielectric-semiconductor” because the stable free radicals are strong electron acceptors and they are reducing the band gap of the material.

Текст научной работы на тему «Электрофизические свойства высокомолекулярных углеводородных фракций»

УДК 538.95

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ФРАКЦИЙ

© А. М. Петров1'2*, М. Ю. Доломатов1,3, Р. З. Бахтизин1, О. Л. Рыжиков1, И. Р. Хайрудинов2

1Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450076 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.

2Институт нефтехимпереработки Россия, Республика Башкортостан, 450029 г. Уфа, ул. Инициативная, 12.

3Уфимский государственный университет экономики и сервиса Россия, Республика Башкортостан, 450078 г. Уфа, ул. Чернышевского, 145. *Email: petrovnanpchemistry@gmail. com

Изучены особенности фазового перехода «диэлектрик-полупроводник» в высококипящих углеводородных фракциях. Температурная зависимость электропроводности высококипящих углеводных фракций образует излом в области температур 65-85 °С, тангенс угла диэлектрических потерь резко возрастает после достижения 65-85 °С. Активное сопротивление образцов ВУФ снижается при нагревании до 65-85 °С с 0.55 МОм до 0.5 МОм для ВБО и с 0.47 МОм до 0.42 МОм для АПД, а затем резко возрастает до 0.8 МОм, при этом комплексное и реактивное сопротивления продолжают уменьшаться при дальнейшем нагревании. Все эти факты подтверждают гипотезу авторов о том, что в образцах ВУФ в области температур 65-85 °С происходит фазовый переход из состояния «диэлектрик» в состояние «полупроводник». Рост электропроводности в высококипящих углеводородных фракциях обеспечивается температурной генерацией носителей заряда - свободных радикалов (спинов), образующихся в результате разрыва слабых углерод-углеродных связей, ослабленных сопряжением с ароматическими кольцами. Энергии разрыва таких связей достаточно низка и может достигать 40 кДж/моль. Процесс генерации свободных радикалов является обратимым, что подтверждается существованием температурного гистерезиса электропроводности. Данные ЭПР подтверждают наличие генерации стабильных свободных радикалов - с повышением температуры в образцах высококипящих углеводородных фракций увеличивается концентрация парамагнитных центров. Фазовый переход «диэлектрик - полупроводник» также обусловлен генерацией стабильных свободных радикалов, так как они являются сильными акцепторами электронов и снижают ширину запрещенной зоны материала.

Ключевые слова: высококипящие углеводородные фракции, многокомпонентные органические спиновые стекла, диэлектрик, диэлектрическая проницаемость, импеданс, тангенс угла диэлектрических потерь, электропроводность, фазовый переход диэлектрик-полупроводник

частот 0-250 МГц. Кривая зависимости тангенса угла Введение диэлектрических потерь от частоты имеет нелинейный

Высококипящие углеводородные фракции (ВуФ), характер с ярко выраженными изгибами, что интер-

такие как нефтяные битумы, асфальты и другие, шир°- претируется авторами работы [16] изменением струк-

ко используются в качестве электроизоляционных туры ВУФ в результате фазовых переходов. Авторами

компаундов [1]. Знания электрофизических свойств работ [8, 16] установлено, что тангенс угла диэлектри-

Вуф и их изменении в ходе эксплуатации имеют ческих потерь битумов при различных температурах

большое значение. Вуф при нормальных условиях колеблется в пределах от 0.002 до 0.04. Причем биту-

проявляют свойства классических диэлектриков: элек- мы с меньшей температурой размягчения обладают

тропроводность Вуф при нормальных условиях со- большим тангенсом углом диэлектрических потерь.

ставляет 10-14-10-11 °м-1-м-1 [2-7]. °днако электр°- Несмотря на многочисленные исследования

проводность Вуф быстро увеличивается с ростом структуры и свойств ВУФ [2-18], до конца неясными

температуры, превышая при 90 °С 10-9 °м-1™-1 [2-8] и остаются механизмы электронных процессов в таких

достигая 10-7 Ш-1^-1 при нагреве до 200 °С [6]. Ди- системах, а экспериментальные данные зачастую яв-

электрическая проницаемость гудронов и битумов ле- ляются противоречивыми и несистематизированными.

жит в пределах 1.8-3 [9-12], 2.5-3 [8, 13] соответственно. Диэлектрическая проницаемость ВуФ изме- Цель работы няется с ростом температуры [8, 13, 14]. В работе [14] Целью данной работы является изучение диэлек-установлено, что диэлектрическая проницаемость би- трических свойств высокомолекулярных углеводород-тумов в интервале температур 5-100 °С возрастает от ных фракций и их температурных и частотных зависи-2.5 до 3.3. Аналогичные результаты получены в работе мостей. [8] в интервале температур 10-150 °С. В работе [13] отмечено, что диэлектрическая проницаемость биту-

Объекты и методы

мов, возрастая от 2.66 до 2.69 при нагреве от 60 до В качестве высокомолекулярных угтешд^одтк

120 °С достигает максимума в области 115-125 °С и фржцш были использованы асфальт пропановой де-

при дальнейшем нагреве до 190 °С снижается до 2.64. асфалкгизации (АДД) и висбрекинг остаток (ВБО)

Подобный характер изменения диэлектрической про- гудротшз западносибирской нефти. ^дато^ш^и^-

ницаемости с ростом температуры имеют нефтяные и кие свойства образцов приведены в табл. 1.

каменноугольные пеки [8, 15]. Диэлектрическая про- Методика мет^итежж измерений осуществля-

ницаемость пеков выше, чем диэлектрическая прони- лась следующим образом. Образцы помещались в ци-

цаемость гудронов и битумов и может достигать 4-5. В тавдригежую термостатированную ячейку, выпол-

работе [16] исследовалась частотная зависимость тан- ненную из фторопласта, с двумя плоскими ^^иге-

генса угла диэлектрических потерь гудрона в области скими электродами в дне и крьшкж ячейки.

Таблица 1

Физико-химические свойства образцов_

Свойство 1 АПД 1 ВБО

Плотность, кг/м3 1044 988

Средняя молекулярная масса, г/моль. 878 714

Содержание асфальтенов, % масс. 17.78 18.46

Содержание смол, % масс. 29.42 11.5

Концентрация ПМЦ, спин/г 7.5Т018 5.6Т018

Элементный состав, % масс.

С 87.00 86.64

Н 10.42 9.66

Б 1.62 2.15

N 0.37 0.43

О 0.59 1.12

Измерения осуществлялись с помощью программно-аппаратного комплекса NI ELVIS II [19]. Диэлектрическая проницаемость материала рассчитывалась по формуле:

Cd

S =—, (1)

Seo

где С - емкость ячейки, d - диаметр ячейки, S - площадь сечения ячейки.

Емкость определялась с помощью цифрового мультиметра, входящего в состав комплекса NI ELVIS II.

Частотная характеристика диэлектрической проницаемости определялась следующим образом. Задат-чиком параметров переменного напряжения являлся виртуальный прибор, входящий в состав программного обеспечения NI ELVIS II - функциональный генератор сигналов, с помощью аппаратуры комплекса этот сигнал подавался на ячейку с исследуемым материалом. Для измерения силы тока была собрана схема преобразователя ток-напряжение на операционном усилителе с высоким входным сопротивлением и сопротивлением 1 МОм в цепи отрицательной обратной связи. Регистрация входного и выходного напряжения производилась другим виртуальным прибором - осциллографом. Таким образом сопротивление ячейки на данной частоте определялось в мегаомах как отношение входного напряжения к выходному и далее пересчитывалось в емкость.

Данные по импедансу и соотношению активного и реактивного сопротивлений определялись с помощью виртуального инструмента Impedance analyzer, входящего в состав комплекса NI ELVIS на частоте 1000 Гц.

Лабораторная схема измерения регистрации ВАХ также была собрана на базе комплекса NI ELVIS II. Поскольку в аппаратуре данного комплекса отсутствуют средства для измерения низких токов и выработки высоких напряжений, в его схему были добавлены управляемый FLYBACK импульсный усилитель (использовался канал CTR0_OUT в режиме управления скважностью) и прецизионные операционные усилители с малыми входными токами и напряжениями смещения. Входная и выходная сила тока регистрировались через аналоговые входы AI0, AI1 комплекса NIELVIS II, программное обеспечение написано на

объектном языке программирования LabVIEW. Нижний предел чувствительности измерительной аппаратуры составил 10—10 А. Электропроводность рассчитывалась по данным ВАХ по формуле:

°=—, (2)

из' 4 7

где U - напряжение, I - сила то ка, S - площадь сечения ячейки, d - расстояние между электродами.

Регистрацию температурных зависимостей измеряемых электрофизических свойств образцов проводили в интервале температур 25-165 °С с шагом 5 °С. После нагрева образца до температуры измерения он выдерживался при этой температуре в течении часа и только после этого производилось измерение. Это было сделано для того, чтобы исключить инерционные эффекты.

Результаты эксперимента

Данные температурной зависимости электропроводности образцов при напряжении 200В приведены в табл. 1.

В интервале температур 25-165 °С наблюдается значительный рост электропроводности образцов на 3 порядка от 10-10 до 7.540-7 Ом-1 •м-1.

Для исследованных образцов ВУФ полученные на постоянном токе вольтамперные характеристики имеют ярко выраженный линейный характер при различных температурах (рис. 1, 2).

450 500

-85°С -105°С -125°С и-В

Рис. 1. ВАХ АДД при температурах 85, 105 и 125 °С.

В связи с тем, что измерения ВАХ и электропроводности проводились на постоянном токе, имело место явление поляризационного гистерезиса силы тока между прямой и обратной ветвью ВАХ образцов. Расхождение между значениями прямой и обратной ветвей гистерезиса составляет не более 10% и объясняется образованием двойного электрического слоя между измерительными электродами и исследуемым образцом.

На графике зависимости натурального логарифма электропроводности ВУФ от обратной температуры (рис. 3) наблюдается излом при 65 °С для АПД и при 85 °С для ВБО.

Таблица 2

Электропроводность образцов ВУФ

при различных температурах_

Образцы Электропроводность, Ом '•м 1

25 °C 1 45 °C 1 65 °C 1 85 °C 1 105 °C 1 125 °C 1 145 °C 1 165 °C

АПД <10-10 2.3Т0-10 3.0-10-10 5.0 10-9 2.1-10-8 1.1 10-7 3.0-10-7 7.5-10-7

ВБО <10-10 1.410-10 2.0Т0-10 3.0-10-10 2.0-10-9 6.0-10-9 2.7-10-8 7.0-10-8

Рис. 2. ВАХ ВБО при температурах 125, 145 и 165 °С.

Рис. 3. Зависимость натурального логарифма электропроводности ВуФ от обратной температуры

Диэлектрическая проницаемость образцов ВуФ при нормальных условиях лежит в пределах 2.1-2.2. Температурная характеристика диэлектрической проницаемости при 100 Гц имеет дугообразный характер (рис. 4, 5).

Температура,1

Рис. 4. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости АПД

Диэлектрическая проницаемость исследуемых образцов ВуФ возрастает в области температур 60120 °С и при дальнейшем нагревании выше 125 °С снижается. Полученные результаты совпадают с результатами работы [11].

Комплексное и реактивное сопротивление ВуФ снижается при увеличении температуры синхронно (рис. 6, 7).

Температура,

Рис. 5. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости ВБО

Температура, 45 70 95 120 145 ■Комплексное сопротивление -Реактивное сопротивление Рис. 6. Изменение комплексного и реактивного сопротивления АПД в интервале температур 25-145 °С.

Температура, °С 45 70 95 120 145 •Комплексное сопротивление -Реактивное сопротивление Рис. 7. Изменение комплексного и реактивного сопротивления ВБО в интервале температур 25-145 °С.

В отличии от реактивного и комплексного сопротивлений зависимость активного сопротивления ВуФ от температуры образует минимум в области температур 65-85 °С и в интервале температур 90-145 °С активное сопротивление ВуФ увеличивается в 2 раза (рис. 8).

Тангенс угла диэлектрических потерь ВуФ при комнатной температуре и частоте поля 1000 Гц составляет 0.08-0.09. Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь ВуФ образует минимум в области температур 65-85 °С и значительно возрастает при нагреве выше 85 °С, достигая 0.16 при 145 °С (рис. 9).

Температура, °С 70 95 120 "145

-АПД --ВБО

Рис. 8. Изменение активного сопротивления АПД и ВБО в интервале температур 25-145 °С.

Температура, СС 45 70 95 120 145

•АПД -»ВБО

Рис. 9. Изменение тангенса угла диэлектрических потерь АПД и ВБО в интервале температурах 25-145 °С.

Обсуждение результатов

На основе проведенных экспериментов и литературных данных, можно сделать вывод, что высококи-пящие углеводородные фракции являются слабополярными метастабильными активными диэлектриками. Их электропроводность резко возрастает с температурой (более чем в 1000 раз на 100 °С).

Температурная зависимость электропроводности ВУФ образует излом в области температур 65-85 °С, тангенс угла диэлектрических потерь резко возрастает после достижения 65-85 °С. Активное сопротивление образцов ВУФ снижается при нагревании до 65-85 °С с 0.55 МОм до 0.5 МОм для ВБО и с 0.47 МОм до 0.42 МОм для АПД, а затем резко возрастает до 0.8 МОм, при этом комплексное и реактивное сопротивления продолжают уменьшаться при дальнейшем нагревании. Все эти факты подтверждают вывод [2-5] о том, что в образцах ВУФ в области температур 65-85 °С происходит фазовый переход из состояния «диэлектрик» в состояние «полупроводник».

В системе происходит температурная генерация свободных радикалов (спинов) в ходе процесса (3):

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

^ - СН2 - СН2 СЩ + СН2 - Я2, (3)

где Я1 и Я2 - полициклические ароматические фрагменты или бензольные ядра, Я1 — СНСН2 — Я2 - стабильные свободные радикалы.

Энергии разрыва таких связей достаточно низка и может достигать 40 кДж/моль [17]. Процесс (3) является обратимым, что подтверждается существованием температурного гистерезиса электропроводности [4]. Данные ЭПР показывают [5, 19], что при повышении

температуры от 30 до 160 °С происходит рост парамагнитных центров ВУФ от 6.6Т018 спин/г до 10.6Т018 спин/г. Свободные радикалы снижают ширину запрещенной зоны материала, так как являются сильными акцепторами электронов [20].

Изменения диэлектрической проницаемости ВУФ с ростом температуры вызваны снижением вязкости системы и, как следствие, повышением подвижности межмолекулярных групп, изменением их колебательной частоты и взаимной ориентации. Рост электропроводности при повышении температуры вызван увеличением межмолекулярного расстояния и подвижности структурных групп молекул, что упрощает движение носителей заряда в объеме образцов и снижает энергетический барьер, необходимый для перескока электронов.

Таким образом, фазовый переход электропроводности ВУФ, происходящий в интервале температур 65-85 °С, обеспечивается ростом концентрации носителей заряда в ходе температурной генерации спинов, вызванной разрывом ослабленных сопряжением с ароматическим кольцом углерод-углеродных связей.

ЛИТЕРАТУРА

1.

10.

11.

12.

13.

Сорокин В. С. Материалы и элементы электронной техники. Том 1. Проводники, полупроводники, диэлектрики / В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, М. П. Лазарева. Москва: Академия, 2006. 448 с.

Доломатов М. Ю. Особенности электропроводности и свойств аморфных полупроводников на основе асфальте-нов / М. Ю. Доломатов, С. А. Шуткова, А. Г. Кавыев, Э. А. Юсупов, В. Н. Гордеев, Ю. В. Челноков // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. №3. С. 109-114.

Доломатов М. Ю. Асфальто-смолистые олигомеры. Применение и физико-химические свойства / М. Ю. Долома-тов, С. В. Пестриков, Э. А. Юсупов, С. А. Александрова. Москва: ЦНИИТЭнефтехим. 1992. 70 с. Доломатов, М. Ю. Особенности фазовых переходов «диэлектрик-полупроводник» в многокомпонентных органических спиновых стеклах / М. Ю. Доломатов, А. М. Петров, О. Л. Рыжиков, Р. З. Бахтизин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2015. №»1. С. 117-123. Доломатов, М. Ю. Электрофизические свойства асфаль-тенсодержащих аморфных органических материалов [Текст] / М. Ю. Доломатов, А. М. Петров, О. Л. Рыжиков, Р. З. Бахтизин // Материаловедение. 2015. №2. С. 15-18. Доломатов М. Ю., Петров А. М. Температурные особенности электропроводности многокомпонентных парамагнитных углеводородных систем. / Тез. докл. Международная научно-техническая конференция «Инновации и перспективы сервиса». УГУЭС. 01.12.2014. Уфа: изд-во УГУЭС, 2014. С. 114-115.

Руденская, И. М. Состав, структура и физико-механические свойства нефтяных дорожных битумов/ И. М. Руденская, А. В. Руденский. // Дороги и мосты. 2009. №2. С. 278-294.

Хойберг, А. Д. Битумные материалы. Москва: Химия, 1974. 248 с.

Евдокимова Н. Г. Некоторые особенности жидкофазного процесса окисления нефтяных остатков / Н. Г. Евдокимова, М. Ю. Булатникова, Р. Ф. Галиев // Нефтегазовое дело. 2005. Евдокимова Н. Г. Исследование сырья битумного производства диэлектрическими и фотоколориметрическими методами / Н. Г. Евдокимова, Е. В. Грызина., А. А. Гуреев // Башкирский химический журнал. 2012. .№2. С. 75-80. Сафиева Р. З. Физикохимия нефти. Физико-химические основы технологии переработки нефти [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. д-ра техн. наук (05.17.07) / Сафиева Равиля Загидулловна; РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина. Москва, 1998. 50 с.

Сергиенко С. Р., Таимова Б. А., Талалаев Е. И. Высокомолекулярные неуглеводородные соединения нефти. М: Наука, 1979. 269 с.

Субботин И. В. Применение ультразвуковой активации битума на асфальтобетонных заводах / И. В. Субботин // Интернет-журнал «науковедение». 2012. .№4. с. 1-9.

14. Saal, R. N. J. Physical constants of asphaltic bitumens Part II / R. N. J. Saal, K. Melmena, P. C. Blokker // Journal of the Institute of Petroleum. 1940. v. 26. p. 246-255.

15. Сб. тр. Научно-технической конференции «Нефть и газ на старте XXI века». Уфа, 22 ноября 2001 года, отделение нефти и газа АН РБ, под. Ред. Бакиева А. В. М.: Химия, 2001. 290 с.

16. Евдокимов И. Н. Особенности электрофизических свойств жидких углеводородных сред с повышенным содержанием смоли-сто-асфальтеновых веществ / И. Н. Евдокимов, Н. Ю. Елисеев // Химия и технология топлив и масел. 2001. №1. С. 29-31.

17. Унгер Ф. Г., Андреева Л. Н. Фундаментальные аспекты химии нефти. Природа смол и асфальтенов. Новосибирск. Наука, 1995. 192 с.

18. Поконова Ю. В. Химия высокомолекулярных соединений нефти. Ленинград. Изд-во ЛГУ, 1980. 172 с.

19. NI ELVIS II. Руководство пользователя: [Электронный ресурс]. National Instrument, 2008. URL: ftp://ftp.ni.com/pub/branches/russia/ni_elvis/ni_elvis_2_user_g uide.pdf_(Дата обращения: 20.04.2015).

20. Доломатов, М. Ю. Нефтепромысловая химия. Физико-химические основы направленного подбора растворителей асфальто-смолистых отложений [Текст]: Учеб. Пособие / М. Ю. Доломатов, А. Г. Телин, М. А. Силин. Москва: РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина. 2011. 69 с.

Поступила в редакцию 02.02.2015 г. После доработки - 13.05.2015 г.

ISSN 1998-4812

BecTHHK EamKHpcKoro yHHBepcHTeTa. 2015. T. 20. №3

831

ELECTRICAL PROPERTIES OF HIGH-BOILING PETROLEUM FRACTIONS

© A. M. Petrov1'2*, M. Yu. Dolomatov13, R. Z. Bakhtizin1, O. L. Ryzhikov1, I. R. Khairudinov2

1Bashkir State University 32 Zaki Validi St., 450076 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

2Institute of Petroleum Refinery and Petrochemistry 12 Iniciativnaya St., 450029 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

3Ufa State University of Economy and Service 145 Chernyshevsky St., 450078 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

*Email: petrovnanpchemistry@gmail.com

The features of the phase transition "dielectric-semiconductor" in the high-boiling hydrocarbon fraction were studied in this paper. The temperature dependences of the electrical conductivity of the high-boiling hydrocarbon fractions has a kink in the temperature range about 65-85 oC, and tangent of the angle of dielectric losses increase after reaching 65-85 oC. The impedance and reactance resistance of the high boiling fractions is decreasing on all temperature range from 25 to 145 oC, but active resistance of the high boiling fractions has been decreasing only to 65 oC and increases after reaching 85 oC. All these facts confirm the author's hypothesis that there is a phase transition from a state "dielectric" to state "semiconductor" in temperature range 65-85 oC. The increase of the high-temperature hydrocarbon fractions conductivity provide by the generation of charge carriers - free radicals (spin), that are formed by the decoupling of weak carbon-carbon bonds, impaired by conjugation with aromatic rings. The energy gap of such bonds may reach 40 kJ/mol. The process of generating free radicals is invertible, as confirmed by the presence of the temperature hysteresis of conductivity. The existence of a stable free radical generating confirmed by EPR data - when temperature of the high-boiling hydrocarbon fractions samples is increasing, the concentration of the paramagnetic centers is increasing too. Generation of the stable radicals also provides a phase transition "dielectric-semiconductor" because the stable free radicals are strong electron acceptors and they are reducing the band gap of the material.

Keywords: high-boiling hydrocarbon fractions, multicomponent organic spin glasses, dielectric, dielectric permittivity, impedance, tangent of the angle of dielectric losses, conductivity, phase transition dielectric-semiconductor.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Sorokin V. S. Materialy i elementy elektronnoi tekhniki. Vol. 1. Provodniki, poluprovodniki, dielektriki [Materials and elements of electronic equipment. Volume 1. Conductors, semiconductors, dielectrics] / V. S. Sorokin, B. L. Antipov, M. P. Lazareva. Moscow: Akademi-ya, 2006.

2. Dolomatov M. Yu. Elek-trotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i si-stemy. 2013. No. 3. Pp. 109-114.

3. Dolomatov M. Yu. Asfal'to-smolistye oligomery. Primenenie i fiziko-khimicheskie svoistva [Asphalt-resinous oligomers. Application and physicochemical properties] / M. Yu. Dolomatov, S. V. Pestrikov, E. A. Yusupov, S. A. Alek-sandrova. Moscow: TsNIITEneftekhim. 1992.

4. Dolomatov, M. Yu. Elektro-tekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy. 2015. No. 1. Pp. 117-123.

5. Dolomatov, M. Yu. Materialovedenie. 2015. No. 2. Pp. 15-18.

6. Dolomatov M. Yu., Petrov A. M. Temperaturnye oso-bennosti elektroprovodnosti mnogokomponentnykh pa-ramagnitnykh uglevodorod-nykh sistem. / Tez. dokl. Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya «Innovatsii i perspektivy servisa». UGUES. 01.12.2014. Ufa: izd-vo UGUES, 2014. Pp. 114-115.

7. Rudenskaya, I. M. Dorogi i mosty. 2009. No. 2. Pp. 278-294.

8. Khoiberg, A. D. Bitumnye materialy [Bituminous materials]. Moscow: Khimiya, 1974.

9. Evdokimova N. G. Neftegazo-voe delo. 2005.

10. Evdokimova N. G. Bashkirskii khimicheskii zhurnal. 2012. No. 2. Pp. 75-80.

11. Safieva R. Z. Fizikokhimiya nefti. Fiziko-khimicheskie osnovy tekhnologii pererabotki nefti [Tekst]: avto-ref. dis. na soisk. uchen. step. d-ra tekhn. nauk (05.17.07) / Safieva Ravilya Zagidullovna; RGU nefti i gaza im. I. M. Gubkina. Moscow: 1998.

12. Sergienko S. R., Taimova B. A., Talalaev E. I. Vysoko-molekulyarnye neuglevodorodnye soedineniya nefti [Non-hydrocarbon high-molecular compounds of oil]. M: Nauka, 1979.

13. Subbotin I. V. Internet-zhurnal «naukovedenie». 2012. No. 4. s. 1-9.

14. Saal, R. N. J. Journal of the Institute of Petroleum. 1940. v. 26. p. 246-255.

15. Sb. tr. Nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «Neft' i gaz na starte XXI veka». Ufa, 22 noyabrya 2001 goda, otde-lenie nefti i gaza AN RB, pod. Red. Bakieva A. V. Moscow: Khimiya, 2001.

16. Evdokimov I. N. Khimiya i tekhnologiya top-liv i masel. 2001. No. 1. Pp. 29-31.

17. Unger F. G., Andreeva L. N. Fundamental'nye aspekty khimii nefti. Priroda smol i asfal'tenov [Fundamental aspects of petroleum chemistry. The nature of resins and asphaltenes]. Novosi-birsk. Nauka, 1995.

18. Pokonova Yu. V. Khimiya vysokomolekulyarnykh soedine-nii nefti [Chemistry of high-molecular compounds of oil]. Leningrad. Izd-vo LGU, 1980.

19. NI ELVIS II. Rukovodstvo pol'zovatelya. National Instrument, 2008. URL: ftp://ftp.ni.com/pub/branches/russia/ni_elvis/ni_elvis_2_user_guide.pdf

20. Dolomatov, M. Yu. Neftepromyslovaya khimiya. Fiziko-khimicheskie osnovy napravlennogo podbora rastvori-telei asfal'to-smolistykh otlozhenii [Tekst]: Ucheb. Posobie / M. Yu. Dolomatov, A. G. Telin, M. A. Silin. Moscow: RGU nefti i gaza imeni I. M. Gubkina. 2011.

Received 02.02.2015. Revised 13.05.2015.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.