Введение к работе
Актуальность темы.
Процессы диспергирования с целью получения порошкообразных материалов широко распространены в химической и смежных отраслях промышленности. Дисперсность получаемых частиц существенно влияет на качественные характеристики получаемых в итоге продуктов. Традиционные методы диспергирования, как механическое воздействие, сушка распылением и выпаривание растворителя не всегда пригодны при получении свободных от примесей субмикронных и наночастиц, которые приводят к денатурации соединений, к широкому диапазону разброса размеров частиц. При этом диспергированный материал, как продукт процесса выпаривания, отличает наличие нежелательного остаточного растворителя. Методом, позволяющим преодолеть эти недостатки, является метод RESS (быстрое расширение сверхкритических растворов). Этот метод позволяет получать субмикронные и наночастицы широкого класса полимеров, модифицировать частицы красителями, пламегасителями и другими ингредиентами. Кроме этого метод RESS позволяет получать частицы заданного состава из несмешивающихся в традиционных технологических процессах веществ.
Актуальность темы диссертации определяется отсутствием надежных данных по субмикронным и наночастицам полиизобутилена, имеющего важное промышленное применение и отсутствие полного математического описания RESS процесса в системе сверхкритический растворитель – полимер.
В диссертации изложены результаты работы автора по исследованию влияния режимных параметров процесса быстрого расширения сверхкритических растворов на средний размер получаемых полимерных частиц в период 2004 – 2010 г.г.
Работа выполнялась в Казанском государственном технологическом университете в рамках: государственного контракта
№ 02.444.11.7341 от 03.04.2006 г. КазНЦ РАН с Федеральным агентством по науке и инновациям; проекта № 8081 от 18.01.2008 г. Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонд Бортника, по программе УМНИК) по теме «Разработка и энерготехнологическая оптимизация процесса быстрого расширения сверхкритических растворов фармацевтических препаратов»; государственного контракта № 02.552.11.7027 от 18.06.2008 г. с Федеральным агентством по науке и инновациям по теме «Диспергирование материалов с использованием метода RESS (быстрое расширение сверхкритических растворов)». Работа выполнена в Центре коллективного пользования научным оборудованием по получению и исследованию наночастиц металлов, оксидов металлов и полимеров «Нанотехнологии и наноматериалы» Казанского государственного технологического университета.
На всех этапах работы в качестве научного консультанта принимал участие кандидат технических наук, доцент Мухамадиев А.А.
Цель и задачи исследований. Целью работы является экспериментальное и теоретическое исследование влияния режимных параметров на средний размер получаемых частиц полимеров и управление размерами, дисперсностью и морфологией частиц полимеров путем варьирования режимными параметрами процесса.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
1) создание экспериментальной установки для реализации процесса быстрого расширения сверхкритических растворов, позволяющая проводить исследования в широком интервале термодинамических параметров и при различной геометрии расширительного устройства.
2) разработка и аттестация методики получения и модификации субмикронных и наночастиц полимеров;
3) экспериментальное исследование влияния режимных параметров процесса на средний размер, дисперсность и морфологию получаемых субмикронных и наночастиц полиизобутилена.
4) математическое моделирование процесса быстрого расширения сверхкритических растворов в системе сверхкритический флюид - полимер;
Методики исследований и достоверность результатов. Полученные микронные, субмикронные и наночастицы проанализированы по аттестованной методике просвечивающей электронной и сканирующей зондовой микроскопии. Для метода просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) использовался микроскоп-микроанализатор ЭММА-4. Для исследования частиц методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) использовался зондовый микроскоп MultiMode V фирмы Veeco с погрешностью измерений ±10% (свидетельство об аттестации №18306-09).
На методику получения субмикронных и наночастиц полиизобутилена разработаны и аттестованы технические условия ТУ 2294-048-020696339-2009 «Полиизобутилен нанодисперсный».
Научная новизна работы. Научная новизна основных положений диссертации заключается в следующем:
- создана экспериментальная установка позволяющая проводить процесс диспергирования методом RESS в диапазоне давлений до 40 МПа и в диапазоне температур 303-473 К.
- разработана и аттестована методика получения и модификации субмикронных и наночастиц полимеров методом RESS;
- впервые получены и модифицированы субмикронные и наночастицы полиизобутилена;
- впервые выявлены закономерности влияния режимных параметров на средний размер частиц полиизобутилена полученных методом RESS.
- разработана математическая модель процесса быстрого расширения сверхкритических полимерных растворов.
- впервые предложена оригинальная методика оптимизации математической модели RESS процесса.
- получено адекватное описание экспериментальных данных математической моделью.
Практическая значимость и реализация результатов.
1. Установлено влияние среды расширения для процесса быстрого расширения сверхкритических растворов: диспергирование в атмосферные условия позволяет получать частицы полиизобутилена микронных размеров, а в жидкую среду субмикронные и наночастицы.
2. На основе экспериментальных исследований процесса быстрого расширения сверхкритических растворов выявлены режимные параметры (температура насыщения 70 0С, давление в системе 20 МПа, температура предрасширения 50 0С, среда расширения - вода), которые можно использовать для промышленного процесса получения наночастиц полиизобутилена.
3. Разработанная математическая модель, с применением экспериментальных данных полученных в настоящей работе, позволяет проводить энерготехнологическую оптимизацию технологии получения микронных, субмикронных и наночастиц полиизобутилена.
4. Результаты исследований получения микронных субмикронных и наночастиц полимеров методом быстрого расширения сверхкритических растворов заложены в базу данных, используемых для промышленных и научных разработок в ОАО "Татхимфармпрепараты", что подтверждается актом внедрения. Так же результаты исследования могут быть применены в учебном процессе при преподавании курса «Основы сверхкритических технологий» и в научных разработках.
Личный вклад автора в работу. Автором создана экспериментальная установка в соответствии с целями исследования; проведены экспериментальные работы, теоретически описаны результаты эксперимента.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Актуальные проблемы образования, науки и производства» (Нижнекамск, 2006), на V Школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2006), на IV Международной научно-практической конференции «Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Казань, 2007), на Международной научно-технической и методической конференции «Современные проблемы специальной технической химии» (Казань, 2007), на XVII Международной конференции по химической термодинамике в России (Казань, 2009), на V Международной научно-практической конференции «Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Суздаль, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, из них в журналах реферируемых ВАК 2 работы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников, насчитывающего 120 наименований и приложения. Объем диссертации составляет 135 страниц машинописного текста. В работе содержится 70 рисунков и 8 таблиц.
