- •Выпускная квалификационная работа бакалавра
- •О пределения
- •Обозначения и сокращения
- •Введение
- •1Физико-химические свойства теплоизоляционных материалов
- •1.1Характеристики теплоизоляционных материалов.
- •1.2 Теплопроводность при нестационарном режиме
- •1.2.1Постановка задачи нестационарной теплопроводности
- •1.2.2 Аналитический метод решения (метод Фурье)
- •1.3Влияние пористости вещества на процессы охлаждения
- •1.4 Композиционные теплозащитные материалы
- •1.4.1 Основные определения
- •1.4.2 Требования к композиционным материалам
- •1.5 Методы синтеза наночастиц
- •1.5.1 Диспергирование
- •1.5.2 Конденсация
- •1.5.3 Основы золь-гель технологии
- •1.6 Методы термического анализа
- •1.7 Анализ высокоэффективных теплоизоляционных и теплозащитных материалов
- •1.7.1 Microtherm
- •1.7.2 Теплоизоляционные материалы производства научно-производственного предприятие «Технология» (г. Обнинск)
- •1.7.3 Продукция ооо «Термокерамика» (г. Москва)
- •2 Методы термического анализа теплозащитных материалов и оборудование для изучения физико-химических свойств теплозащитных материалов
- •2.1 Принцип действия и устройство измерительной системы дск
- •2.1.2 Методика расчета коэффициента теплопроводности
- •2.1.3 Подготовка тигля
- •2.1.4 Подготовка образцов и метод измерения
- •2.2 Прибор для измерения коэффициента теплопроводности зондовым методом - мит 1
- •3 Экспериментальные результаты и их практическая реализация
- •3.1 Выбор волокнистых материалов с низким коэффициентом теплопроводности
- •3.2 Подбор и изготовление композиционных материалов
- •3.3Анализ полученных композиционных смесей
- •3.4 Прессование конструкционных деталей из композиционной смеси
- •3.5 Определение характеристик теплоизоляционных материалов
- •3.6 Получение золя кремниевой кислоты ионообменным способом
- •Заключение
- •Список использованных источников
1.5 Методы синтеза наночастиц
Нанодисперсные оксиды получают в виде золя, геля, конденсированной дисперсии, пористого тела. Основные методы получения наночастиц (НЧ):
- получение высокодисперсных систем основанных на диспергировании и конденсации;
- в зависимости от природы процесса синтеза: химические, физические, биологические;
- зависимости от источника энергии: лазер, плазма, нагревание, замораживание;
- в зависимости от среды, в которой формируются НЧ: газ, жидкость, твердое тело.
Выбор технологии синтеза НЧ зависит от ряда факторов: физико-химические свойства получаемых частиц, производительность, энергоемкость процесса[14]. В работе определено, что для получения высокоэффективных теплоизоляционных материалов наиболее эффективными способами являются диспергирование и золь-гель технология.
1.5.1 Диспергирование
Высокодисперсные частицы оксидов возможно получать постепенным измельчением вещества до более мелких частиц или удалением части вещества из объемной фазы, физическим, химическим или комбинированным воздействием на макросистему. Физические методы основаны на измельчении твердых тел в инертной среде, при котором резко повышается дисперсность и образуется дисперсная система, обладающая значительной межфазной поверхностью.
Диспергирование происходит с затратой внешней работы, расходуемой на преодоление межмолекулярных сил при дроблении вещества. Механизм диспергирования основан на том, что при деформации на поверхности твердого тела образуются микротрещины, за счет которых прочность резко падает. Микротрещины появляются в слабых местах кристаллической решетки (дефекты структуры твердого гола, границы между отдельным и блоками микрокристаллов, границы зерен, в поликристалле, неоднородности, другие дислокации).
При развитие микротрещин под действием внешних деформирующих сил происходит значительно легче при адсорбции различных веществ из среды, в которой ведется диспергирование. Эффективность диспергирования повышается под влиянием адсорбции или адсорбционного понижения твердости, а вещества, повышающие эффективность диспергирования, называются понизителями твердости [15,16].
При механическом измельчении материала также происходит и слипание частиц, и даже в присутствии стабилизатора сложно получить системы, с размерами частиц менее 1 мкм. Например обработка γ-Al2O3 в шаровой мельнице в среде инертного газа позволяет получить нанодисперсный порошок , удельная поверхность которого достигает 100м2/г.
1.5.2 Конденсация
Известны три основных направления синтеза наночастиц методом конденсации:
- осаждение из жидкой (как правило, водной) фазы, основанное на использовании различных реакций взаимодействия двух или более веществ, приводящих к образованию новой фазы;
- высокотемпературные (прокаленные) методы, основанные на использовании различных реакций взаимодействия двух или более веществ, приводящих к образованию нерастворимого продукта;
- конденсация из газовой фазы. Это окислительно-восстановительные реакции или реакции гидролиза, протекающие в газовой фазе.
1.5.3 Основы золь-гель технологии
Золь-гель технология представляет собой метод синтеза наночастиц химической конденсацией в жидкой фазе. Этот метод позволяет проводить процесс в оптимальных условиях для управления свойствами конечного продукта, энергетических затрат и производительности продукта. Золь-гель технология в сочетании с термообработкой продуктов реакции применима для получения оксидных композиционных материалов, как одно- так и многокомпонентных систем с получением химических соединений типа ферритов, титанов, силикатов.
Методы золь-гель технологии:
- гидролиз соли металла при повышенных температурах;
- частичная нейтрализация соли металла с образованием стабильного гидрозоля, содержащего НЧ соответствующего водного оксида;
- полная нейтрализация соли металла с последующим промыванием и пептизации осадка с образованием стабильного гидрозоля;
- гидролиз металлоорганических соединений.
Синтез нанодисперсных частиц в жидкой дисперсионной среде основан на смешении растворов исходных солей, обладающих достаточно высокой растворимостью, и образовании малорастворимых соединений в ходе химической реакции. Такими реакциями могут быть реакции обмена, восстановления, окисления, гидролиза и т.д. [9]. В основе синтеза НЧ водных оксидов элементов лежит процесс гидролитической поликонденсации ионов, приводящий к образованию полиядерных гидроксокомплексо, дальнейшая агрегация которых в рамках нуклеационлого процесса фазообразования приводит к образованию зародышей и появлению первичных частиц чрезвычайно малых размеров и несовершенной структурой, являющейся, скорее всего, метастабильной. Дальнейшее протекание процессов старения в образующейся нанодисперснон системе приводит к образованию золя, геля или осадка. Изменение условий осаждения (температуры, рН, соотношения компонентов, их концентрации и т.д.) позволяет в широких пределах эффективно регулировать фазовый состав, размер и форму образующихся наночастии.
Агрегативно устойчивые золи и нанодисперсные порошки TiO2, SiO2, ZnO, ZrO2 получают гидролизом и поликонденсцисй .алкоксидов металлов в водно-органической среде. Гидролиз алкоксидов с последующей конденсацией можно представить формальными схемами:
M(OR)n + nH2O→M(OH)n + nROH,
mM(OH)n→mMOn/2 + (mn/2)H2O,
где М- Si, Ti, Ce, Mo и другие металлы.
Реальный процесс более сложный. При гидролизе алкоголятов в зависимости от отношения Н2О:|М(ОR)n| в качестве промежуточных форм могут образовываться оксоалкоголяты металлов. Если стадия образования геля проводится быстро, то такой метод называют быстрым золь-гель метолом [17].
Начальные условии (природа и концентрация алкоксида, тип растворителя, природа алкильных групп, соотношение вола: алкоксид, рН среды, температура) влияют на скорость реакций гидролиза и поликонденсации, состав гидроксокомплексов и заполимеризованных фракций и на величину пересыщения системы. Зарождение новой фазы происходит в первоначально гомогенном растворе при достижении критических степеней пересыщения. Чем выше пересыщение, тем меньше размер зародышей и больше скорость коагуляции.
В зависимости от начальных условий осаждение или соосаждение в твердой фазы может ограничиться образованием золей (особенно в разбавленных системах) или сопровождаться образованием осадков, гелеобразных структур или твердых гелей.
Образование структуры и текстуры получаемых порошков завершается на стадии термообработки. В процессе сушки гелей или отмытых от загрязняющих примесей осадков удаляются летучие компоненты.
Режим сушки определяет текстуру продукта: при длительной сушке на воздухе из-за укрупнения частиц геля возможно образование грубодисперсных ксерогелей. Для получения монолитных изделий с различной пористостью необходимо подбирать условия проведения процесса и, прежде всего, сушки геля, чтобы исключить действие капиллярных сил[9] .