Введение к работе
Актуальность работы. Полимерные материалы уже давно успешно используются в различных областях промышленности. Известно, что для изменения функциональных свойств полимерных материалов используют различные наполнители. Введение наполнителя в матрицу полимерного материала позволяет изменять физические свойства. Однако, на сегодняшний день существует проблема введения субмикронных (в том числе наноразмерных) наполнителей в полимерную матрицу. Различают два основных подхода к формированию модифицированного наполнителями полимерного материала: «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Суть подхода «снизу-вверх» к формированию полимерных композиционных материалов заключается в том, что полимерная матрица формируется вокруг частиц наполнителя, в отличии от подхода «сверху-вниз», когда частицы наполнителя вводят в полимерную матрицу. Кроме того, при применении подхода «сверху-вниз», имеются существенные ограничения, не позволяющие вводить в полимерную матрицу субмикронные частицы с равномерным распределением частиц по объему материала. Подход «снизу-вверх» позволяет получать композиционные материалы, наполненные субмикронными частицами наполнителя, с более равномерным распределением наполнителя в матрице.
Одним из способов формирования полимерного материала при помощи подхода «снизу-вверх» является нанесение полимерной оболочки на поверхность субмикронных частиц (или капсулирование полимерным материалом), происходит при смешении двух двухфазных потоков разноименно заряженных частиц. Способ запатентован, проведены оценки, подтверждающие возможность реализации способа, однако необходимо произвести экспериментальные работы по подтверждению теоретических основ способа, а также оценить параметры при которых возможно осуществить капсулирование материала в газовом потоке.
Поскольку способ ещё не был реализован, актуальным является разработка газодинамического тракта, который сможет обеспечить требования технологии. Для этого необходимо обозначить требования к технологии, согласно которым определить требования к газодинамическому тракту установки реализующей способ. Соответственно необходимо произвести расчет и проектирование газодинамического тракта экспериментальной установки. Реализация способа получения полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц будет являться доказательством правильности расчёта газодинамического тракта.
Целью работы является обоснование требований и расчет газодинамического тракта установки обеспечивающей технологию получения полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц.
Для достижения цели необходимо решение следующих задач:
1. Оценка требуемых параметров течения взаимодействующих многофазных газовых потоков для формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц.
2. Разработка структуры газодинамического тракта, обоснование и выбор его элементов.
3. Исследование газодинамического тракта экспериментальной установки для получения полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц во взаимодействующих многофазных газовых потоках. Экспериментальная проверка отдельных узлов газодинамического тракта.
4. Проведение экспериментальных исследования процессов во взаимодействующих многофазных газовых потоках при формировании порошков капсулированных полимерных материалов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Проведен сопоставительный анализ формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц на основе подхода снизу-вверх. Определены требования и разработана структура газодинамического тракта экспериментальной установки для формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц.
2. Произведено исследование параметров газодинамического тракта, обеспечивающие требования к взаимодействующим многофазным газовым потокам, при формировании полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц.
3. Определены условия течения взаимодействующих газовых потоков,
в рамках которых возможно обеспечить формирование полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц.
4. За счет смешения многофазных газовых потоков заряженных частиц, получен материал капсулированный полимерной оболочкой, проведены исследования полученного материала.
Положения, выносимые на защиту:
1. Обоснование требований к течению взаимодействующих многофазных газовых потоков обеспечивающих процесс формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц.
2. Расчет и конструирование газодинамического тракта экспериментальной установки.
3. Результаты исследования процессов во взаимодействующих газовых потоках при формировании полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц.
4. Экспериментальные исследования газодинамического тракта для получения капсулированного полимерного материала.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием законов газодинамики, методов моделирования и программ вычислительной газодинамики, использованием современных методов исследования визуализации газовых потоков PIV, использованием современных методов исследования (электронная микроскопия, Ожэ-спектроскопия).
Практическая значимость работы: полученные результаты могут служить рекомендациями для создания газодинамического тракта технологической установки для получения субмикронных частиц капсулированных полимерным материалом.
Личный вклад автора в работу является определяющим. Основные задачи диссертационной работы поставлены совместно с научным руководителем Михайловым С.А. Автором создана экспериментальная установка в соответствии с целями исследования; проведены эксперименты по получению капсулированного материала в газовых потоках. Обработка и анализ экспериментальных результатов. Анализ полученных образцов капсулированных полимерным материалом проведен совместно со специалистами Центра нанотехнологий Республики Татарстан.
Апробация работы. Основные результаты данной диссертации докладывались и обсуждались на XX Международной научно-практической конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2012 г.); на XIX Международной научно-практической конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2011 г.); на IV Международном казанском инновационном нанотехнологическом форуме (Казань, 27 – 29 ноября 2012 года), на Шестой Всероссийской молодежной научно-технической конференции «ИДЕЛЬ» (Казань, 2012), на Седьмой Всероссийской молодежной научно-технической конференции «ИДЕЛЬ» (Казань, 2013), VI Международная научно-практическая конференция, посвященная 50-летию первого полёта человека в космос и 100-летию со дня рождения Н.Д. Кузнецова «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного тракнспорта и энергетики» (Казань 2011).
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг. в рамках реализации мероприятия № 1.3.2 Проведение научных исследований целевыми аспирантами, № 14.740.12.1380 от 19 октября 2011г., грант РФФИ
№ 12-08-97035.
Автор выражает благодарность д.т.н. Данилаеву М.П. и д.ф-м.н. Польскому Ю.Е. за полезные обсуждения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ
(2 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 4 работы
в материалах конференций), имеется 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 172 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков, 25 таблиц и список литературы из 132 источников отечественных и зарубежных авторов.
