CC BY
84
P. N. Smimov, A. A. Kishkin, D. A. Zhuykov
MATHEMATICAL MODELING OF FLOW IN THE WORKING CAVITY OF THE DISC PUMP
An approach to constructing a mathematical model of the friction disk pump by means of expansion of its hydraulic path into individual structural-functional areas is considered. On the basis of the friction pressure obtained from the momentum equations of turbulent three-dimensional boundary layer, the solutions of the motion equations of viscous incompressible fluid in each of the sites are made and presented in the article.
Keywords: disc pump, pressure of friction, motion equations, mathematical model.
© Смирнов П. Н., Кишкин А. А., Жуйков Д. А., 2011
УДК 66.095.262-911.48; 539.25
О. В. Шабанова, А. В. Шабанов, И. В. Немцев
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ МОНОДИСПЕРСНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА
Исследуются условия синтеза водных дисперсий сферических частиц полиметилметакрилата с узким распределением по размерам. Морфология частиц анализируется методом растровой электронной микроскопии.
Ключевые слова: полимеризация метилметакрилата, сферические частицы полиметилметакрилата, монодисперсность, инициатор полимеризации, растровая электронная микроскопия.
Анализ научных публикаций показывает все возрастающий интерес к созданию технологий, основанных на способности монодисперсных сферических частиц к самосборке с формированием новых материалов с иерархической структурой, в частности, искусственных опалоподобных структур [1; 2]. Теоретические и экспериментальные работы позволяют утверждать, что трехмерные периодические опалоподобные структуры, проявляющие свойства фотонных кристаллов, составят основу микрофотоники и оптоэлектроники. Соответственно технологии получения монодисперсных сферических частиц, а также заполнения межсферических пустот различными материалами будут одним из важнейших направлений в нанотехнологии [3]. Перспективным достижением в этой области является получение молекулярных кристаллов на основе полимерных монодисперсных сфер, синтезированных путем полимеризации стиролов, акрилатов и метакрилатов и др.
Целью данной работы было исследование методом растровой электронной микроскопии зависимости размеров и монодисперсности органических частиц полиметилметакрилата (ПММА) от условий их получения путем полимеризации метилметакрилата (ММА), эмульгированного в водной среде в присутствии инициатора (2,2’-азобис-2-метилпропиона-мидин).
Необходимое условие формирования макромолекул с узким молекулярно-массовым распределением
(в том числе и блок-сополимеров) - это короткая фаза интенсивного множественного зародышеобразования, сменяющаяся медленным контролируемым ростом частиц с сохранением их числа [4].
Процесс цепной радикальной полимеризации ме-тилметакрилата можно условно разделить на три этапа: активация инициатора, реакция мономера с радикалом инициатора и рост молекулы, обрыв цепи полимера [5]. При нагревании инициатор разлагается с образованием активных радикалов, являющихся инициаторами реакции полимеризации ММА:
HN CH Щ NH
\\ I I /
C — C — N= N— C — C — / ■ ■ \
HzN
I
CH3
I
CH3
NHz
HN CH3
\ I
2 C- C. / I
H2N CH3
+ N2
Радикал присоединяется к молекуле ММА и активирует ее, образуя начальное звено цепи полимера:
HN
\
(
/
H,N
CH3
CH
C— c. + I-2C—C
CH
C =O о—с—
HN
/
HN
CH CH
I I
с— C— CH2 —|.
I I
CH C=O
O CH3
Затем к начальному звену присоединяются следующие молекулы ММА, идет рост цепи:
сн3
I
ны сн3 сн3
\
с — с — сн2 —
/ 1 с .
сн3 с 0
н3 с 1 0
г
ны сн3 3
\
—► с — с — сн2 —
/ 1
н2ы сн3
+ (п-1) н2с =с
с =0 0 — сн3
Л
сн3
с =0
0 —сн3
сн3
сн2 — с .
с 0
0 — сн3
п
Обрыв цепи происходит при взаимодействии двух радикалов:
ны сн3
\ I
с — с —
/ I
^ снз
г
сн2 — с
Л
с =0
сн2 — с .
. 0 — снз ,
V -У п
с 0
I
0 сн3
ны сн3
\ I
с — с —
/ I
^ сн3
г
сн3
Л
сн2 — с ■
0 сн3
У
сн3
I
с — с
N
I
сн3
(2п+2)
При проведении экспериментов по получению наноразмерной дисперсии ПММА в воде, после стабилизации температуры в реакторе с помощью термо-
стата, проводились измерения колебаний температуры реакционной смеси в режиме динамического наблюдения (рис. 1).
После введения инициатора в реактор температура термостатирования не изменялась, реакция полимеризации идет с длительным медленным разогревом реакционной смеси по мере роста полимера и резким повышением температуры в конце реакции, когда идет обрыв цепи.
Полученные водные дисперсии ПММА исследовались с помощью электронного микроскопа 85500 фирмы НйасЫ (имеет следующие основные характеристики: разрешение 0,4 нм, при ускоряющем напряжении 30 кВ; максимальное увеличение 2 000 000*; возможность изменять ускоряющее напряжение от 0,5 до 30 кВ с шагом 1 кВ и ток зонда от 1 до 10 мА).
Было установлено, что изменения концентрации ММА, количества вводимого инициатора, скорости перемешивания реакционной смеси и температурного режима в реакторе позволяют управлять размерами получаемых частиц. Так, в случае полностью идентичных условий проведения реакции, размеры сферических частиц ПММА из разных партий образцов практически одинаковы (рис. 2-3).
Их размер зависит только от концентрации мономера и от количества образующихся в результате распада инициатора активных радикалов.
Изменение температуры термостатирования реактора на 1...2 °С при прочих идентичных условиях приводит к существенному изменению размера частиц ПММА (рис. 4-5).
Таким образом, в результате проведенных исследований разработана методика синтеза стабильных водных дисперсий сферических частиц ПММА с узким распределением по размерам. Получены образцы дисперсий с диаметром сфер от 100 до 500 нм (рис. 6.).
Узкое распределение по размерам сферических частиц в образце повышает воспроизводимость структуры наноматериалов на их основе и позволяет из бежать образования дефектов при их самосборке, например, в коллоидные монокристаллы с регулярной гексагональной упаковкой сфер ПММА (рис. 7).
Рис. 1. Изменения температуры реакционной смеси в процессе полимеризации ММА: ось абсцисс - время от начала эксперимента; ось ординат - температура реакционной смеси; Л - время установления в реакторе заданной температуры; Ь - момент введения инициатора полимеризации; bc - активация и рост цепи; cd - обрыв цепи; de - время остывания реакционной смеси до температуры реактора
сн
сн
2
с 0
т, °с
/8.00
77.00
76.00
75.00
74.00
73.00
72.00
71.00 /0.00
69.00
68.00
10.00 20.00 30.00 ^0.00 ЗД.00 60.00 70.00 1,мин
Рис. 2. Термограммы образцов № 18 и 19, полученных в идентичных условиях: а - момент введения инициатора полимеризации
Рис. 3. Размеры частиц ПММА: а - образец № 18; б - образец № 19
Рис. 4. Термограммы реакции полимеризации ПММА:
- момент введения инициатора;......- полимеризация при температуре 69 °С;
------- - полимеризация при температуре 71 °С
точка а
а б
Рис. 5. Образцы частиц ПММА: а - образец № 20; б - образец № 21
Рис. 6. Некоторые образцы полученных сферических частиц ПММА: справа - общий вид; слева - отдельные сферы с указанием размера
Рис. 7. Коллоидный монокристалл из сфер ПММА диаметром ~200 нм
Библиографические ссылки
1. The chemistry of nano structured materials / Ed. Peidong Yang. World Scientific Co. New Jersey-London-Singapore, 2003.
2. Nanomaterials and supramolecular structures. Phisics. chemistry, and applications / Eds A. P. Shpar, G. V. Kurduimov, P. P. Gorbyk. Springer, Heidelberg-London-New York. 2009.
3. Высокомолекулярные соединения / А. Ю. Меньшикова и др. А 48. 2009.
4. Рамбиди Н. Г., Берёзкин А. В. Физические и химические основы нанотехнологии. М. : Физматлит, 2008.
5. Schroden R., Balakrishan N. Inverse opal photonic crystals. A laboratory guide / University of Minnesota. 2008.
O. V. Shabanova, A. V. Shabanov, I. V. Nemtsev
RESEARCH OF CONDITIONS OF SYNTHESIS OF NANOSCALE MONODISPERSE SPHERICAL PARTICLES OF POLY-METHYLMETHACRYLATE
Conditions of the synthesis ofpoly-methylmethacrylate nanoscale spherical particles with narrow distribution in the sizes dispersed in water have been investigated. The morphology of particles was analyzed with the help of a method of scanning electron microscopy (SEM).
Keywords: polymerization of methylmethacrylate, poly-methylmethacrylate spherical particles, monodispersion, the initiator of polymerization, scanning electron microscopy.
© Шабанова О. В., Шабанов А. В., Немцев И. В., 2011
