CC BY
13
КЛАСТЕРЫ, КЛАСТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И МАТЕРИАЛЫ
УДК 51-72:532.6
ВЛИЯНИЕ КАВИТАЦИОННО-АКУСТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СВОЙСТВА ЖИДКИХ СРЕД РАЗЛИЧНОЙ ВЯЗКОСТИ, В ТОМ ЧИСЛЕ ПРИ ВВЕДЕНИИ СВЕРХМАЛЫХ КОЛИЧЕСТВ МЕТАЛЛ/УГЛЕРОДНЫХ НАНОЧАСТИЦ
КОРОЛЕВА М.Р., ТРИНЕЕВА ВВ.
Институт механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. На основе моделирования кавитационно-акустического воздействия и экспериментальных данных показана необходимость применения системного подхода к технологии получения с применением ультразвуковых технологий активных и устойчивых суспензий с включением нанообъектов, а также композиционных материалов с заданными свойствами.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ультразвуковое воздействие, кавитация, вязкие среды, нанокомпозит, моделирование. ВВЕДЕНИЕ
Значительное улучшение характеристик и придание новых свойств композиционным материалам достигается при введении в них нанообъектов. Для введения различных нанообъектов в композиционные материалы чаще всего используют методы ультразвукового диспергирования, механическое перемешивание или комбинацию перечисленных методов. Использование ультразвуковых колебаний высокой интенсивности позволяет ускорить традиционные и реализовать новые процессы химических технологий в жидких и жидкодисперсионных средах. Технологическая эффективность ультразвукового воздействия обеспечивается возникновением в жидких средах при распространении колебаний кавитационных парогазовых пузырей, накапливающих энергию при их расширении и взрывающихся при сжатии с созданием ударных волн и кумулятивных струй [1]. В последние годы широко востребованы технологические процессы, связанные с диспергированием и равномерным распределением нанообъектов в смолах и полимерах, а также в жидких средах, характеризующихся аномально высоким затуханием колебаний и высокой вязкостью (глицерин, масла, краски). Наиболее эффективно ультразвуковые технологии реализуются в воде и органических растворителях. Эффективность в таких средах обусловлена малым затуханием колебаний и возможностью создания развитой кавитации [2]. Ограниченное применение ультразвуковых технологий на наш взгляд заключается в отсутствии системы теоретических и экспериментальных данных о возможности создания режима развитой кавитации для различных нанообъектов и дисперсионных сред. В связи с тем, что ультразвуковое воздействие значительно эффективнее механического перемешивания и при этом сокращает время технологического цикла получения композиционного материала, вопрос об эффективном применении ультразвуковых установок является на сегодняшний день актуальным и требует на наш взгляд системного подхода. Моделирование кавитационно-акустических воздействий в средах в сочетании с исследованием полученных тонкодисперсных суспензий нанообъектов и композиционных материалов на их основе позволит получить ответ об эффективности применения ультразвуковых установок и возможности получения композиционных материалов с заданными характеристиками. Системный подход к получению тонкодисперсных суспензий нанообъектов в различных дисперсионных средах, в том числе при использовании сверхмалых количеств нанообъектов заключается в следующих этапах: 1) изучение характеристик дисперсионной среды; 2) изучение характеристик нанообъекта; 3) моделирование кавитационно-акустических воздействий для выбранной ультразвуковой установки и конкретной дисперсионной среды; 4) исследование полученных тонкодисперсных суспензий нанообъектов; 5) исследование характеристик композиционного материала.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ СУСПЕНЗИЙ С ВКЛЮЧЕНИЕМ МЕТАЛЛ/УГЛЕРОДНОГО НАНОКОМПОЗИТА
Для проведения моделирования и исследования кавитационно-акустических воздействий выбраны дисперсионные среды - глицерин и вода. Характеристики выбранных сред приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики дисперсионных сред
Вещество Массовая доля основного компонента, % Температура разложения, °С Температура кипения, °С
Глицерин ч.д.а (ГОСТ 6259-75) 99,3 290 290 (с разложением)
Дистиллированная вода 100 2800 (без катализатора) 100
Выбор сред обусловлен популярностью применения их для расчета кавитационно-акустических воздействий, при этом выбранные среды практически не содержат примесей (чистота более 99 %), что упрощает сопоставление экспериментальных и теоретических данных на этапе создания программного обеспечения. Нанообъектом, диспергированным в выбранных дисперсионных средах (глицерин, вода) был выбран металл/углеродный нанокомпозит. Эффективность применения металл/углеродного нанокомпозита для получения композиционных материалов с заданными свойствами показана в работах [3 - 9].
Для получения образцов тонкодисперсных суспензий использовали глицерин ч.д.а. (ГОСТ 6259-75); дистиллированную воду и медь/углеродный нанокомпозит (ТУ 2494-00207502963-13). Схема получения тонкодисперсных суспензий с включением металл/углеродного нанокомпозита приведена на рис. 1.
Ультразвуковое (УЗ) диспергирование в дисперсионной среде
МУН
УЗ диспергирование
Контроль процесса:
глицерин (вода) _
Т=зО^С, 1= :> мин,
мощность прибора
= 20%; 40%; 60%
Рис. 1. Получение тонкодисперсных суспензий с включением металл/углеродного нанокомпозита (МУН)
Металл/углеродный нанокомпозит смешивался с дисперсионной средой и помещался в ультразвуковой технологический аппарат «ВОЛНА-М» модели УЗТА-1/22-ОМ (максимальная потребляемая мощность 1000 ВА), который предназначен для интенсификации процессов, протекающих в жидких и жидкодисперсных средах, а именно для обработки вязких жидкостей. Суспензия облучалась в течение 5 мин, начальная температура среды 20 °С, в присутствии дополнительного охлаждения, температура среды после ультразвукового воздействия поднималась до 50 - 60 °С. Значение массовой концентрации металл/углеродного нанокомпозита (ю) в дисперсионной среде выражалось как отношение массы металл/углеродного нанокомпозита (тМУН) к массе дисперсионной среды (тдс).
т
а = тМУН -100% (1)
тдс
Концентрация металл/углеродного нанокомпозита в дисперсионной среде составляла ю = 0,01 %.
В работах [10 - 12] приведена гипотеза влияния сверхмалых количеств металл/углеродного нанокомпозита на улучшение характеристик композиционных материалов и показано применение метода ИК-спектроскопии для контроля и оценки активности тонкодисперсных суспензий с целью эффективной модификации и получения композиционных материалов с заданными свойствами. Поэтому полученные тонкодисперсные суспензии с включением медь/углеродных нанокомпозитов с массовой долей 0,01 % после ультразвукового диспергирования исследовались методом ИК-спектроскопии (ИК-Фурье спектрометр ФСМ-1301). Полученные экспериментальные результаты сравнивались с проведенным моделированием кавитационно-акустических воздействий на выбранные дисперсионные среды.
МОДЕЛИРОВАНИЕ КАВИТАЦИОННО-АКУСТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ДИСПЕРСИОННЫХ СРЕДАХ ВОДА И ГЛИЦЕРИН ПРИ РАЗЛИЧНОЙ МОЩНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УСТАНОВКИ
Исследовалось поведение одиночного паровоздушного пузырька в исследуемых жидкостях при внешнем переменном давлении в среде. Для изучения динамики кавитационного пузырька было выбрано уравнение Рэлея-Плессета [13] - дифференциальное уравнение относительно радиуса кавитационного пузырька, являющегося функцией времени:
Я^ + 3 |—Т = 1ГР-Р0 -Р(0-2а-4Р, (2)
а2 2 ^ а) р1 * 0 w я я а у
где Я(/) - радиус пузырька, м; Р* = Р^ + ^Р0 + ^ ||"Я| - давление газовой смеси в
пузырьке, Па; р. - давление насыщенных паров жидкости, Па; Р0 - статическое давление в
жидкости, Па; Р(/) - переменное внешнее давление, Па; задаваемое функцией вида
Р(^) = Рт^({), ) - безразмерная функция времени ^, р - плотность жидкости, кг/м3;
а - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м; р - динамический коэффициент
вязкости, Па-с; к - показатель адиабаты. Основные параметры исследуемых жидкостей приведены в табл. 2.
Таблица 2
Параметры жидкостей
Параметры Тип жидкости
Вода Глицерин
р, кг/м3 1000 1260
р, Па-с 0,001 1,48
а, Н/м 0,073 0,063
Р, Па 2338,8 133,3
с, м/с 1500 1900
Распространение ультразвуковых колебаний вызывает в среде чередующиеся сжатия и разряжения, причем амплитуда сжатия всегда соответствует амплитуде разряжения, а их чередование соответствует частоте колебаний ультразвуковой волны. Частота ультразвуковых колебаний принималась равной / = 22 кГц.
Амплитуда механических колебаний на торцевой поверхности рабочего инструмента при максимальной мощности составляла А = 30 мкм. Амплитуда звукового давления Рт рассчитывалась, исходя из параметров среды и амплитуды колебаний рабочего инструмента Рт =рсжА . Переменное внешнее давление задавалось функцией вида Р^) = Рт51п{^г), где w = 2/ - круговая частота колебаний.
Результаты численного решения уравнения (2) при различной мощности прибора для воды приведены на рис. 2 - 4 (а), для глицерина на рис. 5 - 7 (а). На рис. 2 - 7 (б) показано изменение температуры паровоздушной смеси в пузырьке при изменении его радиуса.
14
10
Л
\2
• \
1
а)
Г, бар
600
200
0
1,мкс
^ > и Ш
10
15
20
б)
1 - радиус пузырька, 2 - изменение давления Рис. 2. Изменение радиуса (а) и температуры (б) в газовом пузырьке в воде при мощности прибора 20 %
1,мкс
R
9
6
8
3
2
0
5
0
5
а) б)
1 - радиус пузырька, 2 - изменение давления Рис. 3. Изменение радиуса (а) и температуры (б) в газовом пузырьке в воде при мощности прибора 40 %
а) б)
1 - радиус пузырька, 2 - изменение давления
Рис. 4. Изменение радиуса (а) и температуры (б) в газовом пузырьке в воде при мощности прибора 60 %
а) б)
1 - радиус пузырька, 2 - изменение давления
Рис. 5. Изменение радиуса (а) и температуры (б) в газовом пузырьке в глицерине при мощности прибора 20 %
а) б)
1 - радиус пузырька, 2 - изменение давления
Рис. 6. Изменение радиуса (а) и температуры (б) в газовом пузырьке в глицерине при мощности прибора 40 %
а) б)
1 - радиус пузырька, 2 - изменение давления
Рис. 7. Изменение радиуса (а) и температуры (б) в газовом пузырьке в глицерине при мощности прибора 60 %
При адиабатическом расширении - сжатии сферического пузырька температуру воздуха внутри можно определить из уравнения адиабаты Пуассона TVk-1 = const, где V -объем газового пузырька. Предположение о чисто сферических пульсациях позволяет определить изменение температуры по формуле
T=70 [ -к J •
где T0 - начальная температура паровоздушной смеси в пузырьке, которая бралась равной 293 К.
Из рис. 2 - 4 видно, что пульсирование кавитационного пузырька в воде происходит более интенсивно, чем в глицерине, несмотря на то, что начальный радиус пузырька в глицерине составил 200 мкм, а в воде всего 5 мкм. При одной и той же мощности ультразвукового излучателя частота колебаний воздушного пузыря в воде значительно превышает частоту колебаний в глицерине, то же самое можно сказать и о скорости его сжатия и роста, что обусловлено большей вязкостью глицерина.
Увеличение мощности ультразвуковой установки приводит к росту частоты колебаний паровоздушного пузырька и колебаниям температуры паровоздушной среды в пузырьке, вызванным периодическими расширениями и сжатиями газовой полости (табл. 3).
В воде повышение мощности излучателя практически не сказывается на размерах паровоздушного пузырька (особенно при росте мощности от 40 до 60 %): минимальный радиус составляет 1,8; 1,6 и 1,57 мкм при 20, 40 и 60%-й мощностях установки. В глицерине изменение более существенное: 99, 85 и 80 мкм соответственно. Максимальная температура паровоздушного пузырька, колеблющегося в воде, наиболее сильно возрастает при переходе от 20%-й мощности к 40%-й, возрастая в дальнейшем незначительно, достигая значения 1173 К. В глицерине рост температуры при увеличении мощности с 20 до 40 % составил 137 К, а с 40 до 60 % - 69 К. Максимальное значение температуры паровоздушной смеси в пузырьке при этом достигает 866 К при мощности установки 60 %.
Таблица 3
Влияние мощности излучателя на параметры воздушного пузырька
Мощность, % 20 40 60
Вода Rmin / R0 0,36 0,32 0,314
T /т ± max ' ± 0 3,02 3,9 4,01
Глицерин Rmin / R0 0,495 0,425 0,4
T /T ± max ' ± 0 2,3 2,79 3,02
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСИОННЫХ СРЕД И ТОНКОДИСПЕРСНЫХ СУСПЕНЗИЙ С ВКЛЮЧЕНИЕМ МЕДЬ/УГЛЕРОДНОГО НАНОКОМПОЗИТА ДО И ПОСЛЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ
На рис. 8 приведены изменения ИК-спектров пропускания воды в зависимости от мощности ультразвукового воздействия.
На ИК-спектрах воды до и после ультразвукового воздействия значительных изменений в интенсивностях линий не выявлено, локальное повышение температуры до 1200 К в зоне кавитации при ультразвуковом воздействии 60 % от мощности прибора приводит к испарению вещества без его разрушения, поэтому в таких средах возможно создавать развитую кавитацию даже при большей мощности прибора. Результаты подтверждаются литературными данными [14].
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. 8. Изменение ИК-спектров пропускания воды
в зависимости от мощности ультразвукового воздействия
На рис. 9 приведены изменения ИК-спектров пропускания глицерина в зависимости от мощности ультразвукового воздействия. На ИК-спектрах наблюдается снижение интенсивности всех линий при ультразвуковом воздействии 20, 40 и 60 %. В области кавитации согласно проведенному моделированию кавитационно-акустического воздействия происходит локальное повышение температуры до 681 К при 20%-й мощности прибора, до 818 К при 40%-й мощности прибора, до 887 К при 60%-й мощности прибора, при этом температура кипения и разложения глицерина 563 К. Таким образом, ультразвуковое воздействие даже при мощности 20 % приводит к разрушению вещества, при этом для получения развитого кавитационного процесса согласно приведенным расчетам и литературным данным [1], необходимо поднимать мощность воздействия до 60 % и выше.
При введении медь/углеродного нанокомпозита в среду происходит изменение картины ИК-спектров (рис. 10), что объясняется свойствами металл/углеродных нанокомпозитов и влиянием их на характеристики дисперсионной среды [10 - 12], в связи с этим значительного изменения интенсивности, как на рис. 9, в области характеристических частот не наблюдается. На ИК-спектрах (рис. 10) при ультразвуковом воздействии 20 % от мощности прибора в области 1000 - 1300 см-1 С-ОН связи зафиксирован рост интенсивности пика без изменения параметров ширины, при мощности 40 и 60 % наблюдается снижение значения интенсивности до значений в контрольном образце без ультразвуковой обработки. Явление повышения интенсивности на ИК-спектрах при введении металл/углеродных нанокомпозитов проявляется во всех средах (органических растворителях, смолах и т.д.) и объяснено в статьях [10 - 12], при этом с ростом ультразвукового воздействия, как и в чистой среде, начинают происходить процессы разложения глицерина, которые приводят к значительному снижению интенсивности в области С-ОН связи.
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. 9. Изменение ИК-спектров пропускания глицерина в зависимости от мощности ультразвукового воздействия
1 - ультразвуковое воздействие 20 % от мощности прибора; 2 - ультразвуковое воздействие 40 % от мощности прибора; 3 - ультразвуковое воздействие 60 % от мощности прибора; 4 - ультразвуковое воздействие 20 % от мощности прибора на среду без применения нанокомпозита
Рис. 10. Изменение ИК-спектров пропускания тонкодисперсной суспензии на основе глицерина с включением медь/углеродного нанокомпозита с ю = 0,01% в зависимости от мощности ультразвукового воздействия
ВЫВОДЫ
По результатам проведенного исследования можно заключить:
1) на основе моделирования кавитационно-акустического воздействия установлено, что увеличение мощности ультразвуковой установки приводит к росту частоты колебаний паровоздушного пузырька и колебаниям температуры паровоздушной смеси в пузырьке. Максимальное значение температуры паровоздушной смеси в пузырьке соответствует 1173 К в воде и 866 К - в глицерине;
2) на основании ИК спектроскопического исследования глицерина зафиксировано снижение интенсивности всех линий, что может свидетельствовать о разрушении вещества при ультразвуковом воздействии;
3) введение в глицерин медь/углеродного нанокомпозита (0,01 %) приводит к увеличению интенсивности линий ИК-спектра при 20%-й мощности установки, при ультразвуковом воздействии с мощностью 40 и 60 % наблюдается снижение значений интенсивности до спектральных значений глицерина без нанокомпозита.
Следует отметить, что применение ультразвуковых установок эффективно для получения, в том числе в вязких средах, активных и устойчивых тонкодисперсных суспензий с включением нанообъектов, а также композиционных материалов с заданными свойствами и сокращает технологический цикл. Для успешного получения композиционных материалов и повторяемости результатов необходимо применение системного подхода и индивидуальной оценки каждой композиции, с учетом свойств среды, нанообъекта или компонентов композиции, расчета кавитационно-акустических воздействий на среды и контроля процесса получения возможными методами анализа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хмелев С.С. Повышение эффективности кавитационно-акустических воздействий на химико-технологические процессы в аппаратных системах с жидкой фазой значительной вязкости: Автореф. дис. канд. техн. наук. Бийск, 2011. 22 с.
2. Хмелев В.Н., Хмелев С.С., Голых Р.Н., Барсуков Р.В. Повышение эффективности ультразвуковой кавитационной обработки вязких и дисперсных жидких сред // Ползуновский вестник. 2010. № 3. С. 321-325.
3. Наномодифицирование полимерных связующих для конструкционных композитов / В.Г. Хозин, И.А. Старовойтова, И.В. Майсурадзе [и др.] // Строительные материалы. 2013. Т. 2. С. 4-11.
4. Чашкин М.А., Ляхович А.М., Кодолов В.И. Исследование структурных особенностей эпоксидных композиций холодного отверждения, модифицированных медь/углеродным нанокомпозитом // Нанотехника. 2012. № 2. С. 19-23.
5. Ахметшина Л.Ф., Кодолов В.И., Терешкин И.П., Коротин А.И. Влияние углеродных металлсодержащих наноструктур на прочностные свойства бетонных композитов // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2010. № 6. С. 35-46.
6. Першин Ю.В., Кодолов В.И. Модификация поликарбоната с применением медь/углеродного нанокомпозита // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 1. С. 54-58.
7. Наноструктурированный композиционный материал на основе волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена / Е.А. Беляева, Т.Е. Шацкая, В.И. Натрусов [и др.] // Нанотехника. 2012. №4. 86-89.
8. Взаимодействия наноструктур с силикатными композициями / Л.Ф. Ахметшина, Е.Ю. Коренева, Г.С. Сметанина [и др.] // Нанотехника. 2010. № 23. С. 13-16.
9. Нанометрические добавки как средство повышения эксплуатационных характеристик клеевых систем при изготовлении изделий спецтехники / С.А. Лобковский, М.Ю. Ощепкова, М.А. Кустов [и др.] // Клеи. Герметики. Технологии. 2011. № 8. С. 14-16.
10. ИК-спектроскопическое исследование структуры эпоксидной композиции, модифицированной медь/углеродным нанокомпозитом и процессов, связанных с ее модификацией / М.А. Чашкин, В.В. Тринеева, М.А. Вахрушина [и др.] // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 2. С. 223-230.
11. Кодолов В.И., Тринеева В.В. Перспективы развития направления самоорганизации наносистем в полимерных матрицах // Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т. 13, № 3. С. 363-375.
12. 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. 357369.
13. Flynn H.G. Cavitation dynamics. I. A mathematical formulation (in sound field) // J. Acoust. Soc. Am. 1975. V. 57. P. 1379-1396.
14. Smorodov E.A. Cavitation bubble dynamics in a polar liquid // Technical Physics Letters. 2006. T. 32, № 4. P. 340-342.
INFLUENCE OF EFFECT OF ACOUSTIC CAVITATION ON THE PROPERTIES OF FLUID OF DIFFERENT VISCOSITY, INCLUDING MODIFIED BY MINUTE QUANTITIES OF METAL/CARBON NANOPARTICLES
Koroleva M.R., Trineeva V. V.
Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The need to application of systematic method to the technology of obtaining active and stable suspensions with including nanoparticles, as well as composite materials with expected properties, using ultrasonic impact, shows on the modeling of effect of acoustic cavitation and experimental data.
KEYWORDS: ultrasonic effect, cavitation, viscous medium, metal/carbon nanoparticles, modeling.
Королева Мария Равилевна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412)20-34-76, e-mail: koroleva@udman.ru
Тринеева Вера Владимировна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, e-mail: vera_kodolova@mail.ru
