CC BY
152
выводы. Таким образом, при расходе продукта, высоте охладительного бункера, состоящего из 10...12
подлежащего охлаждению, 5.7 т/ч рациональная секций длиной от 1,5 до 2,5 м, от 2,0 м мощность потока
ширина секции охладителя полножирной экструдиро- охлаждающего воздуха должна составлять 1,8...2,0 кВт.
ванной сои находится в пределах от 0,2 до 0,4 м. При
Литература.
1. Бортников С. Эффективность использования полножирной экструдированной сои // Комбикорма. - 2005. - №1. - С.51-52.
2. Dry Extrusion Applications in The Feed Industry [Электронный ресурс] / интернет-портал компании Insta-Pro International - Электрон. Дан - Режим доступа www.Insta-Pro.com. свободный - Загл. с экрана.
3. Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. - М.: Химия, 1981 - 812 с.
4. Исследование процесса движения охлаждающего воздуха в теплообменном аппарате при производстве полножирной экструдированной сои/А.В. Фоминых, Д.Н. Овчинников, В.А. Савельев, А.В. Савельев// Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. - Т. 16. - №3. - С. 96-99
5. ФоминыхА.В., Овчинников Д.Н., Савельев А.В. Определение рациональной скорости воздуха в охладителе полножирной экструдированной сои шахтного типа //Аграрный вестник Урала. - 2011. - №6 (85). - С.45-46.
DESIGN PROCEDURE OF CONSTRUCTIVE AND TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF MINE COOLER FULL-FAT EXTRUDED SOY V.V. Blednykh, A.V. Fominykh, A.V. Savel'ev
Summary. In this article we present theoretical and experimental researches of a design of the device for cooling full-fat extruded soy. The design procedure of a mine cooler of full-fat extruded soy, realizing jalousie design of lateral surfaces is offered. Experimental researches of cooling of a product confirm results of calculations.
Key words: forage, extrusion, soy, cooler, parameters
УДК 539.2.
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРАЛОВ С ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЕЙ
С.М. ШЕБАНОВ, кандидат технических наук, зав. лабораторией
Д.С. СТРЕБКОВ, академик РАСХН, директор Ю.А. КОЖЕВНИКОВ, аспирант М.С. ШЕБАНОВ, инженер ВИЭСХ Россельхозакадемии E-mail: [email protected]
Резюме. В статье рассматриваются структура, прочностные, электрофизические и теплофизические свойства наноком-позиционных материалов. Приводятся примеры влияния химической модификации нанокомпонента и его содержания на свойства нанокомпозита в целом.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, нановолокна, наноглины нанокомпозит, механические и электрофизические свойства
Одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений, использующих достижения нанотехнологии, - материаловедение. Включение наноразмерных частиц в технологический процесс позволяет получать материалы с необычным комплексом свойств. В плане практического использования и коммерциализации научных разработок наиболее эффективны технологии, в которых базовый, распространённый материал модифицируется наночастицами. Это в первую очередь относится к керамическим материалам, сплавам и особенно полимерным материалам. Для решения практических проблем предприятий агропромышленного комплекса наибольший интерес представляют полимеры, модифицированные наночастицами различной природы - нанокомпозиты (НК). Их можно ис-
пользовать в машиностроении как конструкционные и антифрикционные материалы, в строительстве в качестве колонн и перекрытий. Эти материалы, в отличие от металлов, не подвержены коррозии, что чрезвычайно важно, учитывая агрессивность газовой атмосферы внутри зданий животноводческих и птицеводческих комплексов. Один из основных факторов, сдерживающих использование композиционных и нанокомпозици-онных материалов в сельском хозяйстве - отсутствие у технологов и конструкторов информации о их возможностях и свойствах. В представленной работе, мы предприняли попытку частично устранить указанный пробел. Для этого в начале сообщения кратко рассматриваются наиболее распространённые наночастицы, производство которых в промышленных масштабах уже налажено за рубежом. В заключительной части работы приводятся конкретные результаты модификации свойств разных полимеров наночастицами различной природы.
Ассортимент наночастиц, которые используют для модификации полимеров достаточно велик. Это углеродные наночастицы различной формы, нанопорошки металлов и оксидов металлов, карбида кремния, неуглеродные нанотрубки, диспергировнные до наноразмеров природные алюмосиликаты. Наночастицы различаются по своей форме. Например, для оксидов и сажи чаще характерна сферическая форма, для различных синтетических вискеров, нанотрубок и бемита - игольчатая струтура, для природных алюмос-ликатов, в частности глин, - пластинчатое строение. Механизм упрочнения и получаемые эффекты зависят
как от формы наночастиц, так и от особенностей их физико-химического взаимодействия с полимером. Наиболее широкое распространение сегодня получили углеродные наночастицы и модифицированные глины, чаще монтмориллонит. В промышленных масштабах углеродные наночастицы производят, в основном, каталитическим пиролизом углеродсодержащих газов. Вариация состава газа обеспечивает изменение диаметра и длины углеродных нанотрубок. При каталитическом пиролизе более высококипящего сырья образуется волокнистая структура промежуточного типа между ставшей уже «классической» структурой углеродных нанотрубок (УНТ) и слоистой структурой графита. По сути это некий переходный материал между УНТ и углеродными волокнами. Он также обладает слоистой структурой, но в отличие от графита слои «свёрнуты», как у УНТ, а в отличие от последних нет коаксиальных цилиндров. Чаще всего встречается структура в виде коаксиальных усечённых конусов (рис. 1). В технической литературе этот наноматериал получил название VGCF (аббревиатура от Vapor Grown Carbon Fiber). Диаметр нановолокон VGCF может достигать 200 нм.
Рис. 2. Схема получения наноразмерных пластинок графита [2].
позволяет существенно интенсифицировать технологические процессы с участием глин. Для упрочнения полимеров, в частности эпоксидных и полиэфирных смол, наночастицы глины можно модифицировать с целью увеличения гидрофобности. Сегодня принята следующая последовательность получения нанокомпозита: на первой стадии проводится простое смешение компонентов (смесь-микрокомпозит), затем происходит внедрение дисперсионной среды (полимера или растворителя) между слоями кристаллической решётки - интеркаляция (образование интеркалированного композита). В дальнейшем происходит полное расслоение частиц наполнителя и образование «эксфолиированного» композиционного материала. Наибольшие эффекты упрочнения следует ожидать в эксфолиированном нанокомпозите (рис. 3) [2]. Графитовые нанопластинки, состоящие
Рис. 1. Структура нановолокон VGNF [1]: а) и б); электронномикроскопические изображения; в) модель.
Способность графита образовывать соединения внедрения (интеркалированные соединения) известна давно и на этом его свойстве созданы промышленные технологии, так называемого расширенного графита, который в основном используют как антфрикционный материал. В последние годы созданы технологии, позволяющие расщеплять графит до наноразмерных пластинок (рис. 2), которые можно использовать для создания нанокомпозитов.
Глины представляют собой природные алюмосиликаты со слоистой структурой и способны самопроизвольно распускаться в воде на частицы размером менее микрона. Техническое значение имеют 4 природных разновидности глины: каолинит, монтмориллонит, бентонит, галуазит. Современная техника диспергирования
Рис. 3. Схема образования эксфолиированного нанокомпозита в системе полимер- слоистый алюмосиликат [2].
из десятков графеновых слоёв, электопроводны и обладают значительно более высокими механическими характеристиками, чем нанопластинки глины (табл. 1). Это связано с разницей в свойствах индивидуального слоя. Графеновый слой отличается высокой тепло-электропроводностью и чрезвычайно высоким модулем упругости и пределом прочности. Индивидуальный слой нанопластинки глины (алюмосиликата) диэлектрик и менее прочен. Однако наноразмерные частицы глины намного дешевле, чем углеродные. Поэтому выбор наноматериала для создания нанокомпозита будет определяться техническими и экономическими условиями.
Таблица 1. Физические характеристики нанопла-
Показатель Гоафи-товая нанопластинка Нано- пластинка глины
Типовой размер, нм «1x100 «1x1000
Ераст Г11а 1000 170
Ораст, ГМа 10-20 1
Теплопроводность, Вт/мК 3000 0,67
а, К-1 «1 x10-6 «8-16x10-6
Удельное электро- «50x10-6 «1010 x1016
сопротивление, Ом-см Плотность, г/см3 2,0 2.5-3.0
ностных характеристик и снижение коэффициента линейного термического расширения при введении незначительных количеств УНТ, заведомо меньших порога перколяции, косвенно свидетельствует о химической модификации собственно полимера и образовании более жёстких структур.
Введение МУНТ в эпоксидную смолу может изменить не только числовые значения прочностных характеристик, но и характер деформирования полимера [8], [11]. Добавление наночастиц в полимер улучшает его изностойкость при трении и комплексном эрозионном разрушении (табл. 2).
При введении пластинчатых наночастиц в нано- выводы.Свойства нанокомпозиционных материа-
композитах повышаются прочностные характеристики лов зависят от химического состава, а также морфоло-
и одновременно уменьшается газопроницаемость. гии и содержания наноразмерного компонента
Этот факт делает их перспективным материалов для Наибольшие эффекты наблюдаются при использо-
изготовления газовых баллонов высокого давления. вании химически модифицированной нанофазы.
Отметим, что наибольшие эффекты достигаются при использовании наночастиц, к поверхности которых привиты функциональные группы, например, карбонильная в случае углеродных наночастиц[3]или аминная для наноглин [4].
При введении УНТ в наибольшей степени изменяется электропроводность, увеличение которой связано с образованием, начиная с некоторой пороговой концентрации, перколяционных контактов между отдельными электропроводными УНТ.
Именно поэтому одно из
перспективных направле- * eg (expandet graphite) - расширенный графит, ММТ- монтмориллонит,УНТ-
ний использования УНТ углеродные нанотрубки ОУНТ - однослойные, МУНТ - многослойные, ЭпС - эпок-- создание износостойких сидная смола, Е - модуль упругости, а - предел прочности, х - удельная электро-полимерных покрытий с проводность, а - коэффициент линейного термического расширения. антистатическими свой- Нижние индексы: «раст» - растяжение, «изг» - изгиб, «сж» - сжатие. ствами. Увеличение проч- **в числителе значениедля нанокомпозита, в знаменателе для исходного полимера.
Литература.
1. Tronstenson Е., Li C., Chou T.-W. / Review.Nanocomposites in Contens.//Composites Science and Technology. - 65(2005). -491-516.
2. Шебанов С.М. Прочностные характеристики нанокомпозиционных материалов с полимерной матрицей/Оборонный комплекс-научно-техническому прогрессу России. - 2010. - №3. - 90-102.
3. Yasmin A., Luo J.-J., Daniel I.M. /Processing of expandet graphite reinforcedpolymer nanocomposites// Composites Science and Technology. - 66 (2006) . - 1179-1186
4. Zeng O.H., Yu A.B., Lu G.O., Paul D.R. Clay-Based Polyer Nanocoposites: Research and Commercial Development.// J. of Nanoscience andNanotechnology. - v.5. - 1574-1592. - 2005.
5. Park S.J., Lim S.T., Cho M.S., Kim H.M., Joo J. , Cho H.J. Electrical properties of multiwalled carbon nanotube/poly(methil metacrilate) nanocoposite //Current Applied Physics. - 5(2005) . - 302-304.
6. Ounaies Z., Park C., Wise K.E., Siochi E.J., Harison J.S. Electrical properties of single wall carbon nanotube reinforced polyimide composites// Composites Science and Technology. - 63 (2003) . - 1637-1646.
7. Yang K., Gu M., Guo Y., Pan X., Mu G. Effects of carbon nanotube functionalizanion on the mechanical and thermal properties of epoxy composites//Carbon. - 47(2010) . - 1723-1737.
8. Шебанов С.М., Гаевой Н. В.. Деформативность нанокомпозита эпоксидная смола-многослойные углеродные нанотрубки при многократном сжатии//Оборонный комплекс-научно-техническому прогрессу России. - 2010. - №3. - 104-110.
9. Paul D.R., Robeson L.M. Polymer nanotechnology: Nanocomposites//Polymer. - 49 (2008). - 3187-3204.
10. Шебанов С.М. Деформации при многократном сжатии в нелинейной области нанокомпозита эпоксидная смола-много-слойные углеродные нанотрубки. // Композитный мир. - №4. - 2010 (31) . - 10-12.
Полимер, свойство Наночастицы Значение
тип функиионализаиия 1 содержание
ЭпС, Ераст, ГПа* EG -соон 1 масс.% 4,05/3,5**
ЭпС, Ераст, ГПа MMT гидрофобизованные 1 масс.% 3,7/3,5
ПММА, х, S/cm МУНТ -он 1 масс.% 3,192-10-4 /10-13
-//- -//- -он 5 масс.% 2,163-10-2 /10-13
-//- -//- -он 10 масс.% 1,693 10-1 /10-13
попиимид, х, S/cm ОУНТ данные отсутствуют 0,02 об.% 3-10-17/6,3-10-18
-//- -//- данные отсутствуют 0,1 об.% 1,6-10-8/6,3-10-18
-//- -//- данные отсутствуют 0,2 об.% 8-10-8/6,3-10-18
-//- -//- данные отсутствуют 0,5 об.% 3-10-7/6,3-10-18
-//- -//- данные отсутствуют 1,0 об.% 5-10-7/6,3-10-18
ЭпС, Е„зг, ГПа МУНТ не функционапизированные 0,6 масс.% 2,4/2,2
ЭпС, Е„зг, ГПа МУНТ амино- функционапизированные 0,6 масс.% 2,7/2,2
ЭпС, а„зг, МПа МУНТ не функционапизированные 0,6 масс.% 96/85
ЭпС,а„зг,МПа МУНТ амино- функционапизированные 0,6 масс.% 111/85
ЭпС, ЕСж, ГПа МУНТ -соон 0,32 масс.% 3,68/3,38
ЭпС, асж, МПа МУНТ -соон 0,32 масс.% 140/110
Nylon 6,а, °С-1 MMT гидрофобизованные 1,5 масс% 1210-5/14-10-5
Nylon 6, а, °С-1 MMT гидрофобизованные 1,5 масс% 1010-5/14-10-5
STRUCTURE AND PROPERTIES NANOCOMPOSITE MATERIALS WITH A POLYMERIC MATRIX
S. Shebanov, D. Strebkov, Y. Kozevnikov, M. Shebanov
Summary. In article are considered structure, mechanical, electrophysical and thermophysical properties nanocomposite materials. Examples of influence of chemical updating nanoparticle and its maintenances on properties nanocomposite as a whole are resulted. Key words: carbon nanotubes, nanofiber, nanoclay nanocomposite, mechanical, thermophysical and electrophysical properties
