Актуальность работы.

В настоящее время нанотехнологии все шире используются в различных технологических процессах химической и других отраслей промышленности. Одним из современных направлений нанотехнологии является применение в промышленности углеродных нанотрубок. Они обладают рядом уникальных свойств, которые позволяют решать проблемы, возникающие при  производстве полимерных композиционных материалов. Наиболее перспективным методом улучшения полимерных композиционных материалов является их модификация углеродными наноструктурными компонентами.

Нанокомпозиты – относительно новый тип материалов, считающиеся весьма перспективными в связи с возможностью достижения уникальных свойств. Отличаясь от обычных композиционных материалов размером упрочняющей фазы, нанокомпозиты обещают реализовать высокий уровень как специальных свойств, например электропроводности, магнитной проницаемости, так и механических свойств (прочности, трещиностойкости, усталостной долговечности). Одними из самых перспективных наполнителей для изготовления нанокомпозитов являются углеродные нанотрубки. Будучи открытыми сравнительно недавно, они быстро привлекли внимание благодаря комплексу своих уникальных свойств.

Внесение углеродных нанотрубок в структуру композита влияет не только на структуру и свойства полимерного связующего, но и на композиционный материал в целом. На данный момент промышленные технологии по внесению, распределению и стабилизации дисперсии углеродных нанотрубок в полимерных композитах нуждаются в пересмотрении и модернизации. Выработка эффективных методов и определение степени их влияния на качественные показатели конечного продукта, а так же разработка аппаратурно- технологических схем является актуальной и приоритетной задачей. Разрабатываемые методы, несомненно, найдут широкое применение в производстве конструкционных и функциональных полимерных композиционных материалов. Уменьшение массы изделия, вызванное улучшением его физико-механических характеристик, является актуальной задачей ресурсосбережения в промышленных масштабах.

Цель работы

Определение оптимальных режимных параметров процесса ультразвукового диспергирования углеродных нанотрубок в эпоксидном связующем. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• · провести полное комплексное исследование существующих наработок по вопросу решения проблемы эффективного распределения УНТ в структуре эпоксидного связующего;
• · выполнить обоснованный выбор связующего и модифицирующей добавки, удовлетворяющих современным тенденциям и требованиям промышленности;
• · осуществить разработку схемы внесения и распределения УНТ в структуре эпоксидного связующего ультразвуковым воздействием с целью улучшения характеристик получаемого композитного материала;
• · разработать схему проведения эксперимента по внесению УНТ в эпоксидное связующее и получить экспериментальные образцы;
• · провести всестороннее изучение дисперсного состава УНТ в эпоксидной матрице влияния различных методов обработки на него;
• · разработать необходимое аппаратурное оформление.

Научная новизна.

Решена задача определения оптимальных режимных параметров процесса ультразвукового диспергирования углеродных нанотрубок в эпоксидном связующем, что необходимо для эффективного наномодифицирования эпоксидных связующих многослойными углеродными нанотрубками.

Экспериментально получены результаты по  влияние времени УЗ-го воздействия и зазора между валками на дисперсный состав УНТ в эпоксидной матрице.

Предложена промышленно ориентируемая схема внесения и распределения УНТ в структуре эпоксидного связующего, включающая в себя стадию предподготовки перед обработкой ультразвуком.

Практическая значимость работы.

Продемонстрирована и обоснована возможность промышленного производства, конкурентоспособных наномодифицированных полимерных композиционных материалов с улучшенными характеристиками путем ультразвуковой обработки УНТ в структуре эпоксидного связующего.

Определены оптимальные параметры обработки в трехвалковой мельнице, позволяющие улучшить дисперсный состав УНТ в структуре полимерных композиционных материалов, с целью обеспечения энергосбережения в промышленном производстве.

Разработано соответствующее оборудование, необходимое для формирования стадии предподготовки.

Основное содержание работы.

В первой главе диссертации выполнен поиск и анализ литературных источников о нанокомпозитных полимерных материалах: получении, свойствах и применении, который проводился по всем областям знаний (отраслям науки и техники), где возможны создание и использование этих материалов. В аналитическом обзоре приводятся методологические  обоснования исследования свойств и результаты использования нанокомпозитных материалов в различных областях. На основе проведенного анализа научно-технических и патентных источников выбраны наиболее перспективные материалы и методы введения наномодифицирующей добавки в эпоксидную матрицу. Для проведения дальнейших исследований и определены основные этапы проводимого исследования. Сделаны промежуточные выводы.

Во второй главеизложена теоретическая подготовка к проверке выбранного метода диспергирования. В частности, описание метода диспергирования, схема проведения эксперимента, режимные параметры обработки композитного материала.

Далее следует описание материалов и аппаратов, необходимых для проведения эксперимента. Для проведения эксперимента, было решено использовать углеродные нанотрубки серии «Таунит» (рис. 1) и эпоксидную смолу ЭД-22 (рис. 2), а предварительное смешение и обработку проводить на оборудовании, имеющимся в лаборатории.

Рисунок 1. Микроструктура  УНТ «Таунит».

Рисунок 2. Эпоксидная смола ЭД-22

Далее приведено описание практической части эксперимента по определению оптимальных режимных параметров ультразвукового диспергирования УНТ в эпоксидном связующем. Так как результаты анализа лабораторных образцов, полученных в результате проведенного эксперимента (рис. 3), теоретически, могли бы быть улучшены, то следующим пунктом проведения эксперимента по определению оптимальных параметров распределения УНТ в структуре полимера, поиск способов повышения эффективности обработки материала ультразвуком. Было решено добавить стадию предварительной обработки.

Рис. 3. Влияние времени УЗ-го воздействия на диспергирование УНТ в эпоксидной матрице

Так как в качестве способа улучшения дисперсного состава УНТ в структуре эпоксидного связующего было предложено ввести стадию предварительной обработки смеси на валковой мельнице, стало необходимой проверка эффективности обработки суспензии непосредственно на валковой мельнице, до интеграции ее в технологическую схему эксперимента. Эксперимент по проверке эффективности внедрения валковой мельницы проводился с условием изменения зазора между валками, для определения оптимального значения. Результаты (рис. 4) подтвердили наши предположения об эффективности внедрения валковой мельницы, как стадию предварительной обработки.

Рисунок 4. Влияние зазора между валками на диспергирование УНТ в эпоксидной матрице

С учетом полученных в результате проведенных экспериментов данных, были предложены меры по повышению эффективности обработки агломераций углеродных нанотрубок ультразвуком: была пересмотрена первоначальная схема проведения эксперимента, разработаны рекомендации по повышению эффективности предложенной схемы (рис 5).

Рисунок 5. Схема внесения УНТ «Таунит» в эпоксидное связующее, с учетом разработанных рекомендаций.

Учитывая то, что эксперимент на трехвалковой мельнице показал, что при уменьшении зазора между валками, качество диспергирования углеродных нанотрубок в структуре полимера повышалось, нами было предположено, что дальнейшее уменьшение зазора может привести к повышению качества предварительной обработки на валковой мельнице.

В третьей главерассмотрены основные типы конструкций валковых мельниц по назначению, проведен обзор типовых узлов и агрегатов. Был выбран наиболее подходящий для нас тип мельницы и выбрана кинематическая схема. Далее проведен расчет выбранной конфигурации мельницы и разработаны рекомендации по выбору конструкционных материалов. Составлены чертежи, необходимые для постройки выбранной мельницы (рис 6).

Рисунок 6. Сборочный чертеж разработанной валковой мельницы

В четвертом разделе приводится экономическое обоснование эффективности предварительной обработки в валковой мельнице.

Проведенные расчеты показывают что производство по разработанной нами технологической схеме 1 килограмма наномодифицированной эпоксидной смолы обходится примерно в такую же сумму, что и производство по традиционной схеме. Однако времени затрачивается в среднем на 30% больше, что свидетельствует о снижении объемов производства и усложнении технологии. Тем не менее, проведенные эксперименты показывают, что полученная по разработанной нами схеме суспензия имеет качественно более высокие показатели диспергирования агломераций УНТ «Таунит» в структуре эпоксидного связующего, что позволяет утверждать, что разработанная нами схема внесения УНТ «Таунит» в полимерную структуру является перспективной разработкой, заслуживающей внимания, как ученых,  так и промышленности.

Пятый раздел и шестой разделы диссертации посвящены мероприятиям по охране труда и экологическим аспектам производства. Так как углеродный материал «Таунит» относится к третьему классу опасности, эпоксидная смола ЭД-22 ко второму, и в разработанной нами технологической схеме применяются механические устройства, были предложены меры по обеспечению безопасности производства. Далее приведены результаты исследований по воздействию углеродных нанотрубок серии «Таунит» на организмы живых существ, растения и окружающую среду.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения представленной работы было проведено исследование существующих способов внесения и распределения углеродных нанотрубок в структуре эпоксидного связующего. Для определения оптимальных режимных параметров процесса ультразвукового диспергирования углеродных нанотрубок в эпоксидном связующем решены следующие задачи:

• · проведено полное комплексное исследование существующих наработок по вопросу решения проблемы эффективного распределения УНТ в структуре эпоксидного связующего;
• · выполнен и  обоснован выбор связующего и модифицирующей добавки, удовлетворяющих современным тенденциям и требованиям промышленности;
• · осуществлена разработка схемы внесения и распределения УНТ в структуре эпоксидного связующего ультразвуковым воздействием с целью улучшения характеристик получаемого композитного материала;
• · разработана схема проведения эксперимента по внесению УНТ в эпоксидное связующее и получить экспериментальные образцы;
• · проведено всестороннее изучение дисперсного состава УНТ в эпоксидной матрице влияния различных методов обработки на него;
• · разработано и предложено необходимое аппаратурное оформление.

Все статьи автора «Евгений Валерьевич»