Многофазные газовые потоки для формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц

Файзуллин, Константин Владимирович

Многофазные газовые потоки для формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Файзуллин, Константин Владимирович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Многофазные газовые потоки для формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц»

Автореферат диссертации на тему "Многофазные газовые потоки для формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц"

На правах рукописи

ФАЙЗУЛЛИН КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ

МНОГОФАЗНЫЕ ГАЗОВЫЕ ПОТОКИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ ОБОЛОЧКИ НА ПОВЕРХНОСТИ СУБМИКРОННЫХ ЧАСТИЦ

Специальность 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Казань 2013

005540759

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ) на кафедре аэрогидродинамики

доктор технических наук, профессор Михайлов Сергей Анатольевич Попов Игорь Александрович доктор технических наук, профессор, ФГБОУВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ», кафедра Теплотехники и энергетического машиностроения, профессор

Белозеров Альберт Федорович доктор технических наук, профессор, ОАО «Научно-производственное объединение «Государственный институт прикладной оптики», Ученый секретарь Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)

Защита состоится 18 декабря 2013 г. в 12— на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» (КНИТУ-КАИ): 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИТУ-КАИ. Автореферат разослан «_» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 капсули-рованных 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 Р1У, 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 капсулированно-го 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформированы задачи исследования, основные защищаемые положения и научная новизна результатов.

В первой главе проведен анализ известных способов получения композитных полимерных материалов, а также способов получения капсулированных полимерных материалов, сформулированы задачи диссертационной работы. Также произведено описание физико-химических основ изучаемого способа получения капсулированного полимерного материала. В данном разделе описывается основные физические принципы, по которым реализуется получение композиционного полимерного материала в газовом потоке. Рассмотрен принцип осаждения частиц мономера на поверхности субмикронных частиц, вводится понятие центра конденсации. Представлена блок-схема процесса получения капсулированного материала в газовом потоке, с обозначением основных этапов процесса (рис. 1).

Согласно данной блок-схеме получение композиционного полимерного материала делится на следующие этапы:

Этап 1 - организация двух двухфазных потоков заряженных частиц.

Этап 2 - заряд и диспергирование мономера и наполнителя.

Этап 3 - перемешивание заряженных центров конденсации и частиц мономера.

Этап 4 - конденсация диспергированных частиц мономера на заряженных центрах конденсации.

Этап 5 - полимеризация частиц мономера на поверхности центров конденсации.

Этап 6 - отделение капсулированного полимерного материала от продуктов, не вошедших в реакцию.

Этап 3, 4, 5 могут протекать одновременно Рис. 1. Блок-схема процесса получения капсулированного полимерного материала

в газовом потоке

На каждом этапе предъявляются требования, согласно которым разрабатывается газодинамический тракт.

В конце первой главы дана постановка задач исследования. Показано, что подход «снизу-вверх» является наиболее целесообразным для получения субмикронных частиц капсулированных полимерным материалом с воспроизводимыми свойствами (например, с требуемой толщиной полимерной оболочки). На основе сопоставительного анализа способов формирования субмикронных частиц, капсулированных полимерным материалом, реализующих подход «снизу-вверх» показано, что один из перспективных способов основан на взаимодействии многофазных газовых потоков субмикронных частиц и частиц образующих вокруг них полимерную оболочку. Взаимодействие частиц в многофазных газовых потоках осуществляется за счет инициирования кулоновского взаимодействия между противоположно заряженными субмикронными частицами и частицами образующими вокруг них полимерную оболочку.

Во второй главе произведенаразработка структуры газодинамического тракта (рис. 2), выявлены ограничения к скоростям потока на различных участках газодинамического тракта. Это необходимо для выбора устройств, входящих в состав газодинамического тракта. На рис. 2. представлена упрошенная схема газодинамического тракта, тракт условно поделен на 5 участков.

Рис. 2. Эквивалентная схема газодинамического тракта экспериментальной

установки

1. Первый участок (1^ ) - область формирования, заряда и диспергирования многофазного газового потока субмикронных частиц, второй участок (Ь2) - область формирования, заряда и диспергирования многофазного газового потока частиц мономера. Оценку скоростей и расходов многофазных газовых потоков на этих участках будем проводить с учетом следующих факторов:

- скорость газовых потоков с одной стороны, должна быть достаточной для формирования многофазных газовых потоков (ограничение снизу), с другой стороны - время пролета частицей области заряда должно быть достаточным для обеспечения максимального заряда частицы при заданном значении напряженно-стей электрических полей (ограничение сверху).

- длина зоны заряда ограничена условием однородного и устойчивого горения газовых разрядов в многофазных газовых потоках.

Известно, что как в случае диффузионного, так и в случае ударного механизма заряда частиц в коронном разряде характерное время (Г12), необходимое для обеспечения максимального заряда частицы при заданной напряженности электрического поля составляет -10 мс. При характерных продольных размерах разрядных камер, используемых для заряда и диспергирования частиц в аппаратах электронно-ионной технологии ~1 10 см характерная скорость (У1>2) движения частиц на участках Ьх и ¿2 не должна превышать У1>2 = 1 Н-10- 10"2/10"г м/с.

Выходное сечение участков и ограничено поперечными размерами разрядного промежутка. Для типового зазора между электродами ~1 см расход рабочего газа (61,2) многофазных газовых потоков на каждом из участков Ьх и Ь2

Уи

должен составлять значение £?12 = ——.

Кг

2. Третий участок (Ь3) этап смешения. В этой части экспериментальной установки располагается самое большое сечение, следовательно, в соответствии с уравнение Бернулли скорость на данном участке газодинамического тракта будет минимальной. Существует требование, которое ограничивает скорость У3 на данном участке. Первое ограничение «сверху» связано со временем жизни активных частиц (например заряженных частиц), ограничение «снизу» связано со скоростью витания частиц, т.е. с минимальной скоростью, при которой частицы в камере смешения будут находиться во взвешенном состоянии. Скорость витания вычисляется исходя из размеров, плотности и массы частиц. Скорость в камере смешения должна быть.

3. Четвертый участок (¿4) - камера полимеризации. На этом участке ограничение снизу на скорость многофазного газового потока обусловлено величиной «скорости витания» частиц, ограничение сверху - необходимым временем полимеризации частиц. При инициировании радикальной полимеризации мономера на поверхности субмикронных частиц характерное время полимеризации не должно превышать /4 мс получается что скорость У23 < /4 //4 .

4. Пятый участок (15) камера осаждения. Для того чтобы фильтр работал эффективно, необходимо задать ограничения скорости потока и частиц У5 в соответствии с параметрами выбранного фильтра.

В данной главе рассмотрены две схемы организации газодинамического тракта экспериментальной установки: схема реализации экспериментальной установке по принципу замкнутого типа и схема реализации экспериментальной установки проточного типа. В результате сравнительного анализа выбрана схема проточного типа. Схема замкнутого типа предполагает наличие двигателя, поддерживающего необходимую скорость потока в газодинамическом тракте экспериментальной установки, кроме того необходима реализация системы очистки циркулирующего газа. Систем а проточного типа больше подходит для экспериментальных оценок процесса взаимодействия многофазных газовых потоков.

На основании сформулированных требований кпараметрам газодинамического тракта произведен анализ различных участков газодинамического тракта для следующих этапов:

1. Этап организации двух двухфазных потоков частиц мономера и частиц наполнителя. Был проведен сопоставительный анализ существующих устройств дозирования центров конденсации и мономера. На основе сопоставительного анализа было выявлено, что для организации двух двухфазных потоков заряженных частиц будут использоваться эжекторы двух типов: эжектор для сыпучего материала для центров конденсации и эжектор для жидкости для мономера.

2. Этап заряда и диспергирования частиц наполнителя и мономера наиболее целесообразно проводить в поле коронного разряда. Для заряда и диспергирования центров конденсации (частиц наполнителя) используется система с плоскопараллельным полем и цилиндрическими коронирующими электродами, а для диспергирования и зарядки частиц мономера используется система с плоскомеридианным полем и цилиндрическими коронирующим электродом. Под воздействием электрического поля частицы мономера диспергируются до размеров порядка 100-200 нм.

3. Этап смешения двух двухфазных потоков. В работе проведена оценка различных вариантов смешения двухфазных потоков. В результате предварительного анализа выявлено, что наиболее эффективным способом является смешение при подводе газовых каналов под углом друг к другу (рис. 3, а) и при подводе каналов коаксиально (рис. 3, б). Для выбора типа и конфигурации камеры смешения были исследованы камеры смешения в различных конфигурациях. Изучаемые камеры смешения сравнивались с простейшим случаем реализации смешения, когда смешение происходило только за счет срыва потока.

Эффективность смешения двух многофазных газовых потоков разноименно заряженных частиц оценивалась по степени турбулентности. Расчет степени турбулентности в камере смешения проводился на базе известной (к - е)-модели турбулентности. Расчёты производились при следующих ограничениях: не учи-

тывалась сжимаемость среды, считалось что частицы, формирующие двухфазный поток полностью увлекаются пульсацией среды, поэтому двухфазность потока не учитывалась, стенки камеры смешения не имеют шероховатости, течение происходит без тепло- и массообмена.

Рис. 3. Схемы смешения двух многофазных газовых потоков противоположно заряженных частиц: а - схема смешения, реализующая способ смешения, где каналы подводятся под углом р друг у другу, с использование дополнительных турбулизаторов, подведенных под углом а; б - коаксиальная схема смешения газовых потоков, с дополнительными турбулизирующими подводами, подведенными под углом а: 1 - канал первого двухфазного потока заряженных частиц; 2 - канал второго двухфазного потока заряженных частиц; 3 - разрядные камеры; 4 - подвод турбулизирующего газа; 5 - конфузор; 6 - камера смешения; 7 - электрод разрядной камеры; а - угол подвода турбулизирующего газа;

р - угол подвода каналов

Решение и визуализация были получены на основании результатов численных расчетов с использованием пакета прикладных программ С^О (англ. СотрШайопаШшсИупагшсз).

При проведении сопоставительного анализа начально-краевые условия при расчете степени турбулентности выбирались одинаковыми. В качестве критериев для сравнения камер смешения были выбраны:

1. Значение эффективной длины смешения. Предпочтение отдавалось конструкции камеры смешения, в которой длина / наименьшая.

2. Отсутствие завихрений потока вблизи стенок камеры смешения.

3. Проведенный сопоставительный анализ на основании сформулированных критериев оценки эффективности камер смешения показывает, что равномерность смешения по всему объему камеры смешения увеличивается при увеличении количества подводов для турбулизирующих газов, а попадания частиц из одного канала в другой можно избежать при помощи подвода турбулизирующих потоков под углом друг к другу. В разделе также проведены оценки возможности реализации смешения заряженных частиц двух двухфазных потоков под воздействием магнитного поля, производится оценка возможности магнитного механизма управления движением заряженных потоков. Применение магнитного поля для смешивания частиц с характерными размерами более 100 нм возможно при условии уменьшения поперечной составляющей скоростей до 0,01 м/с в камере смешения с габаритами порядка 10 м в диаметре и за время порядка 100 секунд.

4. Этап полимеризации мономера на поверхности частиц. Реализация условий полимеризации частиц мономера, образующих полимерную оболочку вокруг субмикронной частицы, происходит за счет внешнего воздействия ультрафиолетовым излучением. Выбрана длина волны при которой будет происходить полимерзация мономера на поверхности центра конденсации стирола X, = 280 - 400 нм.

5. Этап отделения капсулированного материал от частиц мономера не вошедших в реакцию. На основе сопоставительного анализа существующих фильтрующих устройств было решено проводитьотделение субмикронных частиц кап-сулированных полимерным материалом за счет устройства, работающего по принципу электростатического фильтра. Скорости потока в устройстве данного типа не должны превышать 3 м/с.

В данной главе разработана структура газодинамического тракта, выявлены ограничения к скоростям потока на различных участках газодинамического трака. Также рассмотрены различные схемы организации газодинамического тракта, в результате анализа выбрана схема экспериментальной установки проточного типа. Определены основные требования к условиям формирования и те-чениявзаимодействующих двух многофазных газовых потоков заряженных противоположным по знаку зарядами субмикронных частиц и частиц образующих, вокруг них полимерную оболочку. Согласно требованиям произведен анализ и выбор необходимых элементов газодинамического тракта для каждого этапа.

В третьей главе производится расчет и проектирование экспериментальной установки, необходимой для проверки способа получения полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц. Согласно ограничениям по скоростям, представленным в первой главе, производился расчет скоростей на каждом участке экспериментальной установки.

На основании анализа различных типов устройств, приведенного во второй главе, были определены элементы конструкции, наиболее полно отвечающие сформулированным к ним требованиям. На рис. 4 представлена блочная схема экспериментальной установки.

19^

2а I

В*><н

18\

171

№

21.

1а

221

— 16

" X / | -12

10 15

Рис. 4. Блочная схема экспериментальной установки: 1 - баллон с газом; 2 - редуктор газового баллона с манометром; 3, 4 - краны; 5 - эжектор для сыпучего материала с дозатором; 6 - эжектор для мономера с дозатором; 7 - разрядная камера для заряда и диспергирования частиц наполнителя; 8 - разрядная камера для заряда и диспергирования частиц мономера; 9, 10 - источники тока для разрядных камер, 11 - камера смешения; 12 - подводы для турбулизации потока в камере смешения; 13 - ресивер; 14 - кран; 15 - редуктор газового баллона с манометром; 16 - баллон с газом; 17- камера полимеризации; 18 - ультрафиолетовые лампы; 19- источник тока для уф ламп (контроллер); 20 - разрядная камера камеры отделения; 21 - источник тока; 22 - камера осаждения

Рассмотрим принцип работы экспериментальной установки. Рабочим газом является азот, поскольку азот химически не активен и не влияет на результаты химических реакций, происходящих в установке. Азот находится под давлением в газовых баллонах 1а и 16, к которым подсоединены стандартные газовые редукторы для азота и манометры 2а и 26. Манометры имеют стрелочный указатель, который показывает давление на выходе из баллона. В экспериментальной установке используются манометры с четвертым классом точности, предел измерения до 2-х атмосфер. При помощи редуктора происходит регулировка скорости выхода потока из баллонов. Скорость поступления газа в каналы регулируется при помощи кранов 3 и 4. Газовые каналы подсоединяются к эжекторам (струйным

насосам). За счет работы эжекторов 5 и 6 происходит подача материала в газовые каналы и формироване двухфазных потоков, где одной фазой является материал (наполнитель или частицы мономера), другой - газ носитель. Наполнитель попадает в разрядную камеру 7, где диспергируется и заряжается. Напряжение на электродах выставляется при помощи источника тока 9. В лабораторных условиях используется источник, максимальная мощность которого 250 Вт. Частицы мономера попадают в другую разрядную камеру, где также заряжаются и диспергируются.

Далее два двухфазных потока с разноименно заряженными частицами наполнителя и мономера попадают в общую камеру смешения. Для эффективного смешения частиц мономера и наполнителя, а также для предотвращения негативного влияния различных факторов, мешающих образованию капсулы, используется система турбулизации, которая реализуется за счет подвода газа 12. Подвод турбулизирующего газа происходит из автономного баллона 16, соединенного с камерой смешения через ресивер 13. Ресивер позволяет выровнять скорость подводимого в камеру смешения газа. Скорость газа выставляется при помощи крана редуктора, установленного на баллоне, работающего в паре с манометром. После смешения и осаждения частиц мономера на поверхности наполнителя все частицы, включая частицы, не осевшие на поверхности наполнителя, а также частицы наполнителя, на которые не осели частицы мономера, попадают в камеру полимеризации 17, представляющую собой кварцевое стекло, которое просвечивается при помощи ультрафиолетовых ламп 18. Работа ламп осуществляется за счет источника тока 19. После прохождения камеры полимеризации частицы мономера на поверхности наполнителя полимеризуются, образуя наполненные полимерные капсулы. Далее двухфазный поток попадает в камеру осаждения, где наполненные полимерные гранулы отделяются от прочих частиц, не вошедших в реакцию. Отделение происходит при помощи электростатического фильтра, составными частями которого являются разрядная камера 20, подобная той, что осуществляла заряд частиц мономера, а также источник тока 21. Заряженные частицы будут осаждаться на заряженном противоположным знаком электроде.

В соответствии с данными параметрами спроектированы и изготовлены следующие элементы конструкции экспериментальной установки: разрядные камеры для заряда и диспергирования частиц мономера и частиц наполнителя, камера смешения, камера полимеризации, камера отделения капсулированного полимерного материала, подобран эжектор для мономера. Был проведен расчет и разработка эжектора для сыпучего материала при помощи методов вычислительной газодинамики. Построение сетки конечных элементов производилось при

помощи программы Gambit 2.4 (Ansyslnc.). Моделирование эжектора позволяет сделать оценки расходов наполнителя при создании двухфазного потока. Точные результаты по расходу эжектора получены экспериментальным путем.

Произведена оценка эффективности смешения двухфазных потоков в камере смешения с применением метода трассерной визуализации. Метод цифровой трассерной визуализации является бесконтактным методом исследования газовых потоков. С помощью данного метода возможно регистрировать мгновенное про-станственное распределение скорости потока. Это позволяет изучать газовые потоки, содержащие крупномасштабные вихревые структуры. Принципиальная схема устройства PIV-системы показана на рис. 5.

При проведении экспериментов полагалось что трассеры, используемые в экспериментальном исследовании, полностью увлекаются пульсацией среды.

Эксперименты подтверждают оценки по реализации камеры смешения, сделанные во второй главе диссертации. За счет подключения к камере смешения турбулизирующих подводов удается создать высокую степень турбулентности, что позволяет повысить интенсивность смешения (табл. 1).

Проведены эксперименты по диспергированию сыпучего материала в поле коронного разряда. Результаты, подтверждающие эффективность диспергирования конгломератов частиц, проводились на микрочастицах аэросила. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили эффективность заряда и диспергирования частиц при помощи коронного разряда.

В третьей главе произведен расчет газодинамического тракта экспериментальной установки для получения полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц. Проведена разработка основных узлов, входящих в состав газоди-

Блок

регистрации

Рис. 5. Принципиальная схема устройства PIV-системы

намического тракта. Проведена экспериментальная проверка следующих узлов газодинамического тракта: эжектора для центров конденсации, эжектора для мономера, камеры смешения, разрядной камеры для центров конденсации.

Таблица 1

Результаты экспериментов по трассерной визуализации в камере смешения

Без подводов

Векторная диаграмма движения трассеров

■ННН|

¿1 '..'л?.- Й

6 подводов вначале камеры смешения, 6 в конце

Степень

ттобулетт^сти

и'/и

11111

■

!Й1В

I ¡-*« ■

ЯШШШж

Степень рбулентности у'/У

■■/шШя^шш-

жшт

ШтйШ

■" ""-■И■ -1*1

■

- щааш

11 I

потоке и оценка параметров газодинамического тракта. Предполагается, что в результате экспериментов будет получен материал, представляющий собой капсулу, образованную центром конденсации и полимерной оболочкой. Получение капсул происходит в газовом потоке за счет осаждения частиц мономера на центры конденсации и последующей полимеризацией мономера. В качестве центров конденсации используется тальк М£з814О10(ОН)2; в качестве мономера применяется стирол С8Н8. Газ-носитель в экспериментальной установке - азот (N2). Эксперименты проводятся на экспериментальной установке, представленной на рис. 5, требования к которой и расчеты проводились во второй и третьей главах диссертационной работы.

Рис. 5. Общий вид экспериментальной установки

При проведении экспериментов создавались следующие условия: избыточное давление на входе в эжектор для субмикронных частиц 0,5 (±0,05) атм (-50662,5 Па), избыточное давление на входе в эжектор для мономера 1 (±0,05) атм. (-101325 Па), при этом расход эжектора для субмикронных частиц составил -0,05 г/сек, расход эжектора для частиц мономера составил -1,5 г/сек. Скорость течения газа на выходе из установки (камера отделения) 3 (±0,1) м/с, скорость течения в камере полимеризации составила 2,5 (±0,1) м/с, скорость течения в камере смешения порядка 0,35 (±0,05) м/с.

Для получения экспериментальных данных по капсулированию талька полистиролом проводилось 3 серии экспериментов. Для последующей обработки экспериментальных данных нанесение материала производилось на кремниевую подложку. Образец № 1 - частицы талька на поверхности кремниевой пластины; Образец № 2 - частицы талька, капсулированные стиролом на поверхности кремниевой пластины; Образец № 3 - частицы талька, капсулированные стиролом на поверхности кремниевой пластины и облученные УФ-излучением в камере полимеризации. Режимы работы экспериментальной установки представлены в табл. 2

Таблица 2

Режимы работы экспериментальной установки

Номер образца Напряжение в разрядных камерах, кВ Расход Время работы установки, с Количество УФ ламп Давление, атм

мономер, гр/сек Цк, гр/с мономер ЦК турбули-заторы

Мономер Центры конд.

1 0 0 0 0,1 10 0 0 0,5 1

2 + 14* -12** 1 0,1 10 0 1 0,5 1

3 + 14* -12** 1 0,1 10 4 1 0,5 1

* Напряженность поля в разрядной камере для центров конденсации 0,6-106 В/м.

** Напряженность поля в разрядной для мономера 0,82-106 В/м.

Исследование полученных образцов проводилось методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и оже-электронной спектроскопии (ОЭС) исследованы размерные характеристики, топография и элементный состав на поверхности частиц порошка капсулированного полимерного материала (частицы технического талька, капсулированные стиролом) и подложки (пластина кремния). Электронно-микроскопические и Оже-электронные исследования проводились на оже-электронном спектрометре JAMP-9500F («JEOL», Япония). Условия проведения исследований - сверхвысокий вакуум (не хуже 1х10~9 мм рт. ст.), температура - +25 °С.

Результаты ОЖЭ-исследований:

- на Образце № 1 присутствуют «следовые» количества углерода, причиной появления которых может быть адсорбированный углерод из атмосферы (СО, С02)

- на Образце № 2 углерод присутствует в количестве явно превышающем «следовые».

- на Образце № 3 на поверхности частиц талька явно присутствует углерод, причем при получении спектров с отдельно взятой частицы на поверхности образца, было очевидно, что углерод присутствует во всех точках анализа.

Экспериментальные исследования полученного материала доказывают возможность получения полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц за счет смешения многофазных потоков, а также правильность выдвинутых требований и корректность работы газодинамического тракта экспериментальной установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что основными этапами формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц являются: формирование двух двухфазных потоков, заряд и диспергирование частиц, смешение двухфазных потоков, полимеризация мономера на поверхности субмикронных частиц и отделение капсули-рованного материала от частиц мономера не осевших на поверхность центров конденсации. Обоснованы требования к параметрам течения взаимодействующих многофазных газовых потоков для формирования порошков капсулированых полимерных материалов. Сформулированы требования к газодинамическому тракту: отсутствие соударений заряженных частиц с элементами конструкции, соблюдение требуемых ограничений по времени нахождения материала на каждом этапе, на всех этапах частицы должны находиться во взвешенном состоянии.

2. Разработана и исследована структурная схема газодинамического тракта. Выявлены ограничения для скоростей потока на различных участках газодинамического трака на основе сформулированных требований к параметрам течения взаимодействующих многофазных газовых потоков. На основе сопоставительного анализа выбрана схема экспериментальной установки проточного типа, в которой формирование многофазных газовых потоков и дозирование исходных материалов осуществляется при помощи эжекторов. Показано, что удалось увеличить интенсивность смешения на 35 % возможно за счет подвода газовых каналов под углом 90 друг к другу и введения дополнительных подводов газа под углом 45 к плоскости камеры смешения. Показано, что полимеризация мономера на поверхности субмикронных частиц целесообразно осуществлять за счет ультрафиолетового облучения длиной волны Я. = 325 нм. Показано, что отделение порошка капсулированного полимерного материала от побочных продуктов процесса их формирования целесообразно осуществлять в электростатическом фильтре.

3. Проведен расчет газодинамического тракта экспериментальной установки для формирования порошка капсулированного полимерного материала. Проведен расчет скоростей и расходов на каждом участке газодинамического тракта. Показано, что скорости многофазных газовых потоков на различных участках газодинамического тракта должны лежать в пределах: 0,23-10~5'-г 3 м/с. Обоснована требуемая производительность и характеристики работы эжекторов, используемых для формирования многофазных газовых потоков, а также проведена их экспериментальная проверка. Полученные экспериментальные результаты удовлетворительно (не хуже 10 %) согласуются с результатами расчетов эжекторов.

4. Проведены исследования смешения потоков методом трассерной визуализации (Р1У). Результаты экспериментальных исследований подтверждают корректность выбора камеры смешения для осаждения мономера на поверхности субмикронных частиц. Полученные экспериментальные результатыкачественно совпадают с расчетными результатами (СИЭ) по выбору камеру смешения.

5. На основе экспериментальных исследований определены условия, при которых обеспечивается формирование полимерной оболочки из полистирола на поверхности субмикронных частиц талька: избыточное давление на входе в эжектор для субмикронных частиц 0,5 (±0,05) атм (-50662,5 Па), избыточное давление на входе в эжектор для мономера 1 (±0,05) атм (-101325 Па). При этом соотношение расходов^ эжектора для субмикронных частиц к расходу эжектора мономера составил -10, что является нижней границей соотношения расходов, при которых возможно обеспечить условия формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц: расход эжектора субмикронных частиц составил -0,05 г/с, расход эжектора для частиц мономера составил -1,5 г/с. Скорость течения газа на выходе из установки (камера отделения) 3 (±0,1) м/с, скорость течения в камере полимеризации составила 2,5 (±0,1) м/с, скорость течения в камере смешения порядка 0,35 (±0,05) м/с. Значения скоростей удовлетворительно согласуются с их требуемыми значениями, необходимыми для формирования порошков капсулиро-ванных полимерных материалов.

Основное содержание диссертации изложено в следующих

публикациях:

Рекомендованные ВАК

1. Файзуллин К.В. Сопоставительный анализ камер смешения двух многофазных потоков противоположено заряженных частиц / М.П. Данилаев [и др.] // Известия вузов. Авиационная техника. - 2012. - № 2. - С. 69 - 71.

2., Файзуллин К.В. Экспериментальные исследования способа формирования многослойных полимерных пленок с заданными физико-химическими свойствами отдельных слоев / Е.А. Богослов [и др.] // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2013. - Т. 49, № 3. - С. 1 - 5.

3. Файзуллин К.В. Пат. 118877 Российской федерации, МПК 7 В01РЗ/02. Устройство смешения двух многофазных газовых потоков/ Ю.Е. Польский [и др.] заявитель и патентообладатель Казан, нац. исслед. техн, ун-т им. А.Н. Туполева, опубл. 10.08.2012. Бюл. № 22.

Прочие работы

1. Файзуллин К.В. Оценка параметров камеры смешения для реакции радикальной полимеризации / К.В. Файзуллин // XIX Международная молодёжная науч. конф. «Туполевские чтения» (24-26 мая 2011 г.): материалы конф. - Т. I. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2011. - С. 47 - 50.

2. Файзуллин К.В. Выбор параметров камеры смешения при анализе газодинамического цикла экспериментльной установки по капсулированию полимерных материалов / К.В. Файзуллин // XIX Международная молодёжная науч. конф.

«Туполевские чтения» (24-26 мая 2011 г.): материалы конф. - Т. П. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2013. - С. 178 - 180.

3. Оценка требований к газодинамическому тракту экспериментальной установки формирования в газовой фазе полимерного материала / К.В. Файзуллин [и др.] // Материалы IV Международного Казанского инновационного нанотехно-логического форума (NANOTECH'2012), Казань, 27-29 ноября 2012 г. - Казань: Изд-во ГУЛ РТ «Татарстанский ЦНТИ», 2012. - С. 154 - 156.

4. Разработка способа получения капсулированных полимерных материалов для создания новых пленок и покрытий, применяемых в авиационной промышленности: научно-технический отчет о выполнении 1 этапа Государственного контракта № 14.740.12.1380 от 19 октября 2011 г. / рук. работ К.В. Файзуллин, исполн. К.В. Файзуллин № гос. per. 01201179794, инв. № 02201359517. -Казань: КНИТУ-КАИ, 2011. - 40 с.

5. Разработка способа получения капсулированных полимерных материалов для создания новых пленок и покрытий, применяемых в авиационной промышленности: научно-технический отчет о выполнении 3 этапа Государственного контракта № 14.740.12.1380 от 19 октября 2011г./ рук. работ К.В. Файзуллин, исполн. К.В. Файзуллин; № гос. per. 01201179794, инв. № 02201359520. - Казань: КНИТУ-КАИ, 2011. - 71 с.

Соискатель

К.В. Файзуллин

Подписано к печати 12.11.13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 110. Заказ Б119.

Типография КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К.Маркса, 10

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Файзуллин, Константин Владимирович, Казань

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТКХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Н. ТУПОЛЕВА - КАИ»

ФАЙЗУЛЛИН КОНСТАНТИН ВЛАДИМИгиаич

МНОГОФАЗНЫЕ ГАЗОВЫЕ ПОТОКИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ ОБОЛОЧКИ НА ПОВЕРХНОСТИ СУБМИКРОННЫХ ЧАСТИЦ.

Специальность 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

04201453753

Диссертация на соискание ученой

степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Михайлов С.А,

Казань2013

Оглавление

Введение 4

Глава 1. Сопоставительный анализ, выбор и обосно- 12

вание способа формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц

1.1. Обоснование требований к свойствам полимерных (дисперсно- 12 наполненных) материалов.

1.2. Анализ существующих подходов к получению наполненных 14 полимерных материалов.

1.3. Способа формирования оболочки из полимерного материала 22 на поверхности субмикронных частиц.

1.4. Формализация требований к технологии формирования в га- 27 зовом потоке полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц.

1.5. Выводы по главе. Постановка задач диссертационного иссле- 34 дования

Глава 2. Газодинамический тракт для формирования 36

полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц.

2.1. Структура газодинамического тракта, требования к газоди- 36 намическому тракту.

2.2. Сопоставительный анализ структурных схем реализации газо- 39 динамического тракта замкнутого и проточного типа установок по получению субмикронных частиц капсулированных полимерной оболочкой.

2.3. Дозирование материалов и формирование двухфазных потоков, 45 диспергирование и ионизация частиц мономера и субмикронных частиц в газовом потоке.

2.4. Сопоставительный анализ схем реализации и исследование ка- 58 меры смешения методом вычислительной газодинамики. Полимеризация мономера на поверхности субмикронных частиц.

2.5. Отделение субмикронных частиц капсулированных полимер- 78 ным материалом от неосажденных частиц мономера.

2.6. Выводы по главе 83

Глава 3. Разработка, проектирование и проверка уз- 85

лов экспериментальной установки 3.1. Принципиальная схема конструкции экспериментальной 85

установки

3.2. Расчёт скоростей и расходов рабочего газа для проектиро- 87 вания газодинамического тракта экспериментальной установки.

3.3. Определение требований и расчет конструкционных эле- 99 ментов экспериментальной установки

3.4. Проверка узлов экспериментальной установки. Проверка 116 качества смешения и турбулизации газовых потоков методом

Р1У, проверка камеры диспергирования частиц наполнителя.

3.5. Выводы по главе 135

Глава 4. Экспериментальные исследования способа 137

формирования полимерной оболочки на поверхности субмикронных частиц.

4.1. Эксперимент по формированию полимерной оболочки 137 на поверхности субмикронных частиц.

4.2. Результаты эксперимента и их обсуждение. 142

4.3. Области применения технологии капсулирования по сред- 157 ствам смешения многофазных газовых потоков заряженных

частиц.

4.4. Рекомендации по получению субмикронных частиц кап- 158 сулированных полимерной оболочкой.

Заключение 161

Список литературы 164

Введение

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.

Для достижения цели необходимо решение следующих задач;

2. Разработка структуры газодинамического тракта, обоснование и выбор его элементов.

4. Проведение экспериментальных исследования процессов во взаимодействующих многофазных газовых потоках при формировании порошков капсулированных полимерных материалов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Положения, выносимые на защиту:

2. Расчет и конструирование газодинамического тракта экспериментальной установки.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее цель, формируются задачи исследования, основные защищаемые положения и научная новизна результатов.

В первой главе проведен анализ известных способов получения композитных полимерных материалов, а также способов получения капсулиро-ванных полимерных материалов, сформулированы задачи диссертационной работы. Также произведено описание физико-химических основ изучаемого способа получения капсулированного полимерного материала. В данном разделе описывается основные физические принципы, по которым реализуется получение композиционного полимерного материала в газовом потоке. Рассмотрен принцип осаждения частиц мономера на поверхности субмикронных частиц, вводится понятие центра конденсации. Представлена блок-схема процесса получения капсулированного материала в газовом потоке, с обозначением основных этапов процесса. На каждом этапе процесса получения полимерной оболочки на субмикронных частицах предъявляются требования, согласно которым разрабатывается газодинамический тракт.

лочки). На основе сопоставительного анализа способов формирования субмикронных частиц, капсулированных полимерным материалом, реализующих подход «снизу-вверх» показано, что один из перспективных способов основан на взаимодействии многофазных газовых потоков субмикронных частиц и частиц образующих вокруг них полимерную оболочку. Взаимодействие частиц в многофазных газовых потоках осуществляется за счет инициирования кулоновского взаимодействия между противоположно заряженными субмикронными частицами и частицами образующими вокруг них полимерную оболочку.

Во второй главе произведена разработка структуры газодинамического тракта, выявлены ограничения к скоростям потока на различных участках газодинамического тракта. Это необходимо для выбора устройств, входящих в состав газодинамического тракта.

В главе, основании сформулированных требований к различным участкам газодинамического тракта, произведен анализ различных участков газодинамического тракта для следующих этапов:

1. этап организации двух двухфазных потоков частиц мономера и частиц наполнителя. В результате анализа было выявлено что для организации двух двухфазных потоков заряженных частиц будут использоваться эжекторы двух типов: эжектор для сыпучего материала для центров конденсации и эжектор для жидкости для мономера.

2. этап заряда частиц наполнителя и мономера, для заряда и диспергирования частиц наполнителя (центров конденсации) используется система с плоскопараллельным полем и цилиндрическими коронирующими электродами, а для диспергирования и зарядки частиц мономера используется система с плоскомеридианным полем и цилиндрическими коронирующим электродом.

3. этап смешения двух двухфазных потоков. В работе проведена оценка различных вариантов смешения двухфазных потоков. Проведенный сопоставительный анализ на основании сформулированных критериев оценки эф-

фективности камер смешения показывает, что равномерность смешения по всему объему камеры смешения увеличивается при увеличении количества подводов для турбулизирующих газов, а попадания частиц из одного канала в другой можно избежать при помощи подвода турбулизирующих потоков под углом друг к другу. В разделе также проведены оценки возможности реализации смешения заряженных частиц двух двухфазных потоков под воздействием магнитного поля, производится оценка возможности магнитного механизма управления движением заряженных потоков.

4. этап полимеризации мономера на поверхности частиц, решено проводить инициирование процесса полимеризации за счет внешнего воздействия магнитными полями (фотоинициирование ультрафиолетом).

5. этап отделения капсулированного материал от прочих продуктов не вошедших в реакцию решено проводить за счет что электромеханический уловитель наиболее полно удовлетворяет представленным требованиям, поскольку позволяет улавливать даже субмикронные частицы. Также данный тип фильтра позволит осадить частицы, разные по массе на различных участках электрода, что поможет отделить капсулированный полимерный материал от прочих продуктов, не вошедших в реакцию.

В третьей главе производится расчет и проектирование экспериментальной установки, необходимой для проверки способа получения наполненного полимерного материала.

В соответствии с данными параметрами спроектированы и изготовлены следующие элементы конструкции экспериментальной установки: разрядные камеры для заряда и диспергирования частиц мономера и частиц наполнителя, камера смешения, камера полимеризации, камера отделения капсулиро-ванного полимерного материала, подобран эжектор для мономера. Был проведен расчет и разработка эжектора для сыпучего материала при помощи ме-

тодов вычислительной газодинамики. Построение сетки конечных элементов производилось при помощи программы Gambit 2.4 (Ansys Inc.). Моделирование эжектора позволяет сделать оценки расходов наполнителя при создании двухфазного потока. Точные результаты по расходу эжектора получены экспериментальным путем.

Произведена оценка эффективности смешения двухфазных потоков в камере смешения с применением метода трассерной визуализации.

В четвертой главе диссертационной работы проводятся экспериментальные исследования способа получения капсулированного полимерного материала. Целью серии экспериментов является экспериментальная проверка способа получения наполненного полимерного материала (капсулиро-вания) в газовом потоке. Получение капсул происходит в газовом потоке за счет осаждения частиц мономера на центры конденсации и последующей радикальной полимеризацией мономера. В качестве центров конденсации используется тальк; в качестве мономера применяется стирол. Газ-носитель в экспериментальной установке - азот.

стицы технического талька, капсулированные стиролом) и подложки (пластина кремния). Электронно-микроскопические и Оже-электронные исследования проводились на оже-электронном спектрометре 1АМР-9500Р («ШОЬ»,