Аналитическое оборудование

• Прибор для анализа лекарственных препаратов по тесту “Растворение” SOTAX AT7 Smart

• Спектрофотометр ПЭ-5400УФ

• Спектрофотометр UNICO 1201

• Влагоанализатор AXIS ASG50

• Оптический микроскоп Micros MCX-100 Crocus

• Высокожидкостной хроматограф

Дополнительное оборудование

• Линия подготовки воды фармацевтического качества компании Sartorius AG

• Холодильный шкаф LIEBHERR FKUv 1610

• Высокопроизводительный сверхмощный компьютер 4 ТFlops

• Безмасляный компрессор компании Atlas-Copco

• Лабораторный автоклав Sigma 2-16PK Sartorius AG

• Лабораторные весы GR-200

• Магнитная мешалка MS-01

• ПГР-10 Пресс лабораторный настольный гидравлический

• Аквадистиллятор АДЭа-4-СЗМО

Основные научные направления центра:

Технология сублимационной сушки при атмосферном давлении в активном гидродинамическом режиме​

 Технология сублимационной сушки при атмосферном давлении в распылительной сушилке с псевдоожиженным слоем является инновационной разработкой, представляющей уникальные возможности для получения новых материалов с заданной структурой. Благодаря активной гидродинамике, сушка замороженного материала в псевдоожиженном слое позволяет повысить скорость удаления влаги и, таким образом, уменьшить продолжительность обработки материала. Комбинирование процесса распыления материала с сушкой вымораживанием в псевдоожиженном слое дает возможность формирования нано- и микрочастиц благодаря тонкому истиранию и микросдвигам частиц в процессе псевдоожижения.          В сравнении с классической вакуумной сублимационной сушкой атмосферная сушка замороженных капель, полученных в результате распыла, имеет множество преимуществ: за счет лучшего управления стадиями замораживания и сушки упрощается процесс получения свободно текущих нанокомпозитных частиц с более однородным конечным влагосодержанием, проще контролируется форма и размер наночастиц, применение псевдоожижения обеспечивает улучшение тепло- и массопереноса, снижает время сушки и повышает производительность производства.         Технология сублимационной сушки при атмосферном давлении позволяет получить новые продукты, состоящие из частиц гладкой сферической формы с уникальной пористой структурой, способствующей их быстрому растворению, что очень важно, например, для фармацевтических продуктов нового поколения.

Инкапсуляция диспергированием при помощи ультразвуковых форсунок

Пример частиц маннитола, полученных по технологии сублимационной сушки в активном гидродинамическом процессе

Технология инкапсуляции путем диспергирования через ультразвуковые форсунки является перспективным направлением для получения новых материалов в фармацевтической, химической и пищевой отраслях промышленности. Инкапсуляция позволяет решить ряд важных задач при разработке многофункциональных материалов: защита нестабильного компонента от воздействия ряда негативных факторов окружающей среды, защита от стрессовых воздействий, снижение риска разложения нестабильных компонентов при хранении, создание лекарственных препаратов с пролонгированным действием и высвобождения активного компонента в определенных зонах организма человека.

       Преимуществами инкапсулирования с использованием ультразвуковых форсунок является узкое распределение капсул по размерам, практически отсутствие агломерации капсул вследствие того, что их полярность одинакова, возможность производства как в лабораторном, так и в промышленном масштабе. Нано- и микропорошковые композиции могут использоваться для ингаляционных препаратов: при этом частицы размером 8-10 мкм используются для осаждения и всасывания в трахеях и бронхах, частицы размером 1-3 мкм осаждаются и всасываются легкими, а размеры частиц для баллистической инъекции должен составлять 30-60 мкм для успешного подкожного влияния. Кроме того, наночастицы и наноструктурированные дисперсии могут быть использованы для приготовления других лекарственных форм.

Пример микрокапсул, полученных ультразвуковым диспергированием

Сверхкритическая сушка и адсорбция

Технология сверхкритической сушки позволяет создавать аэрогели - материалы, уникальные по своим свойствам. Аэрогель – макроскопический кластер, состоящий из микро- и наночастиц, как правило сферической формы, соединенных между собой химическими связями. Вещество, образующее каркас кластера, занимает малую часть объема (0,2 – 15 %), оставшийся объем приходится на поры. Благодаря этому аэрогели обладают сверхвысокой удельной поверхностью и пористостью, плотность которых всего в три раза превышает плотность воздуха. Одним из самых важных свойств сверхкритических флюидов является их способность растворять многие вещества, что обуславливает их возможное применение в качестве растворителей и экстрагентов. Благодаря своим свойствам эти материалы, получаемые с помощью сверхкритических флюидных технологий, позволят создавать более эффективные шумо- и теплоизоляционные материалы, а также лекарственные препараты с меньшим содержанием труднорастворимых активных веществ.

Пример монолита аэрогеля и SEM-фотографии структуры аэрогелей

Введение в наноинженерию.

Лекция 1

Введение

Наноинженерия – наука о применении наноматериалов в различных областях:

• химия (нанокатализаторы)

• лекарственные препараты (доставка лекарств к больным органам с помощью мицелярных растворов)

• наноэлектроника

Нанообъект – любой объект, имеющий хотя бы один размер в диапазоне от 1 до 100 нанометров (м).

Наносистема состоит из нанообъектов.

Полуклассические

модели

Точные <= Приближение
Шредингеровские модели									Квантово-механические схемы
	Квантово-кинетические модели
	Методы Монте-Карло и молекулярной динамики
					Гидроценватические модели
								Дифференциальные –дрейфовые модели
	1 нм	1-100 нм		100 нм		200 нм	500 нм

Прогнозирование свойств веществ

• Приближенные теории (Ван-дер-Ваальса, Дебая-Хюккеля)

• Эксперимент (физико-химический, численный)

Компьютерное моделирование позволяет получить более точные результаты без приближенных теорий.

Несогласование теории и эксперимента – неверна теория либо неверные представления о межмолекулярных взаимодействиях

Компьютерное моделирование позволяет получить точные результаты для модельной системы не прибегая к приближенным теориям

Сравнение компьютерной модели с экспериментальными данными => Рассогласование результатов – пересмотр межмолекулярных взаимодействий

Сравнение компьютерной модели с аналитической теорией => Рассогласование результатов – изъян в теории.

Межмолекулярные и поверхностные силы

1. Сильные взаимодействия в ядре атомов (<нм)

2. Слабые взаимодействия при испускании атомом электронов (<нм)

3. Электромагнитные взаимодействия распространяются от межатомных расстояний до гигантски больших

4. Гравитационные взаимодействия от межатомных расстояний до гигантски больших

Микроскопические эффекты – следствие близких взаимодействий:

а) капиллярное поднятие жидкостей в узких каналах

б) форма водной струи, вытекающей их под крана

• XIXвек: поиск универсального закона, который бы описывал все межмолекулярные взаимодействия (за прообраз брался закон всемирного тяготения Ньютона)

• Считалось, что межмолекулярные силы родственны гравитационным

• Изобретались потенциалы взаимодействия W(r), с обязательным включением масс молекул m₁, m₂:

(1.1)

Здесь r –расстояние между центрами молекул.

С – константа, n=4/5

Для гравитационных взаимодействий потенциал взаимодействий W(r) имеет вид:

; (1.2)

Исходя из физического смысла потенциала взаимодействия W(r), его убыль соответствует работе А, совершаемой изолированной системой. По закону сохранения энергии dW+dA=0. Тогда с учетом того, что работа А определяется как произведение силы F на проделанное системой расстояние r, т.е. dA=F*dr, получаем, что сила взаимодействия F(r) связана с потенциалом взаимодействия W(r) соотношением:

F(r)=-dw(r)/dr (1.3)

Для потенциала взаимодействия сила взаимодействия составит:

F(r)=-dw(r)/dr=-nCm₁m₂/rⁿ⁺¹ (1.4)

Зависимость потенциала Леонардо-Джонса W (r) и силы взаимодействия между атомами F (r) от расстояния между атомами r

Теория усреднения

Можно предсказать макросостояние системы по ее микросостоянию/наносостоянию.

Химический потенциал – полная энергия молекулы в растворе.

Наносистемы обладают свойством эргодичности, т.е. ее равновесные состояния можно исследовать во времени, усреднив систему по начальному состоянию.

Методы, основанные на свойстве эргодичности:

• Монте-Карло

• Молекулярной динамики

В полуклассических методах нет расчета уравнения Шрёдингера, при этом каждая молекула подчиняется законам Ньютона.

Лекция 2

Моделирование методом молекулярной динамики во многом похоже на реальный эксперимент. Во-первых, готовится образец материала, свойства которого мы собираемся изучить. Далее подбирается модель системы из N частиц. Наконец, решаются уравнения движения Ньютона для исследуемой системы до тех пор пока свойства системы не перестают меняться с течением времени (приводим систему к равновесию). После достижения равновесия мы приступаем к фактическим расчетам интересующих величин.

При расчете наблюдаемой макро величины на основе метода молекулярной динамики необходимо уметь выразить эту наблюдаемую величину как функцию положения и импульса частиц в системе. Например, подходящим определением температуры в системе многих тел является определение, основанное на использовании положения о равнораспределении энергии по всем степеням свободы, которые входят квадратично в гамильтониан системы (сумму кинетической и потенциальной энергий). В частности для средней кинетической энергии на одну степень свободы имеем:

(2.1)

В моделировании это уравнение используется как рабочее определение температуры.

На практике имеет смысл рассчитывать полную кинетическую энергию системы и делить это значение на число степеней свободы для системы N частиц при сохранении общего импульса в системе. Так как полная кинетическая энергия системы флуктуирует, изменяется и мгновенное значение температуры:

(2.2)

Относительные флуктуации температуры имеют порядок . Учитывая, что, как правило, бывает порядка 10²-10³, статистические флуктуации температуры составляют порядка 5 - 10%. Для получения точной оценки температуры необходимо проводить усреднение по большему числу частиц.

Алгоритм включает следующие этапы:

1. Задание параметров, определяющих условия, при которых производится моделирование (например, начальная температура, количество частиц, плотность, временной шаг и т.д.).

2. Задание начальных положений частиц и их скоростей.

3. Расчет сил, действующих на все частицы системы.

4. Интегрирование уравнений движения Ньютона. Этот шаг вместе с предыдущим составляет основу моделирования. Они повторяются до тех пор, пока не завершится расчет эволюции системы во времени на интересующем нас временном интервале.

5. После окончания главного цикла, вычисляются и выводятся средние значения рассчитываемых величин и происходит завершение программы.

Рассмотрим теперь более подробно отдельные этапы алгоритма.

Задание начальных значений параметров и положения частиц (инициализация)

Чтобы инициировать процесс моделирования необходимо задать начальные положение и скорости всех частиц в системе. Положения частиц должны быть выбраны совместимыми со структурой, которую мы стремимся воспроизвести. В любом случае частицы должны располагаться так, чтобы не было заметного перекрывания атомов и молекул. Часто это достигается за счет первоначального размещения частиц в узлах кубической решетки.

Для задания начальных значений скоростей каждой компоненте скорости у каждой частицы приписывается произвольное значение с равномерным распределением в интервале [- 0.5; 0.5]. Затем производится сдвиг значений скоростей таким образом, чтобы суммарный импульс в системе стал равным нулю, а также проводится перемасштабирование скоростей для достижения желаемого значения средней кинетической энергии.

В состоянии теплового равновесия выполняется следующее соотношение

, (2.3)

Где - -я компонента скорости частицы.

Расчет сил

Расчет сил, действующих на каждую частицу, является наиболее трудоемким этапом моделирования методом молекулярной динамики. Если рассматривать модель системы с парными аддитивными взаимодействиям, необходимо учитывать вклад всех соседей рассматриваемой частицы. Если же рассматривать только взаимодействие между некоторой частицей и ближайшим образом другой частицы ((периодические граничные условия), то для системы N частиц необходимо вычислить парных взаимодействий.

Первоначально необходимо рассчитать текущее расстояние в направлении x, y, z для каждой пары частиц. Пусть это расстояние .

При расчете межмолекулярных взаимодействий с периодическими граничными условиями используют обрезку потенциала на расстоянии (где должен быть меньше половины диаметра периодической ячейки). В этом случае мы всегда можем свести расчет межмолекулярных взаимодействий между молекулами i и j к взаимодействию между молекулой i и ближайшим периодическим образом молекулы j.

В случае использования простой кубической ячейки с периодическими граничными условиями расстояние в любом направлении между i и ближайшим периодическим образом молекулы j всегда должно быть меньше (по абсолютной величине), чем половина диаметра периодической ячейки. Удобный способ вычислить расстояние между i и ближайшим периодическим образом j заключается в использовании функции ближайшего целого nint(x), которая округляет реальное число x до ближайшего целого. Так, имея расстояние по x между молекулами i и j, равное xr, расстояние по x между i и ближайшим образом j вычисляется как

. (2.4)

Где box - диаметр периодической ячейки.

Вычислив таким образом все декартовы составляющие вектора расстояния между i и ближайшим периодическим образом j определяется величина . Далее проверяется, будет ли меньше квадрата радиуса обрезки . Если нет, то сразу же производится переход к следующему значению j.

Если какие-либо две частицы расположены достаточно близко, чтобы они могли взаимодействовать друг с другом, тогда требуется рассчитать силы между этими частицами, а также вклад в потенциальную энергию. При этом необходимо знать выражение для потенциальной энергии взаимодействия двух частиц на расстоянии r. Так, x-составляющая силы будет выражаться через потенциальную энергию взаимодействия u(r) в виде:

(2.5)

Рассмотрим пример взаимодействия молекул в неполярной жидкости.

Энергия взаимодействия двух частиц в ней описывается потенциалом Ленард-Джонса (1924 год):

(2.6)

В уравнении (2.6) - глубина потенциальной ямы; - расстояние, на котором энергий взаимодействия становится равной нулю.

Пример расчета сил взаимодействия в леннард-джонсовской жидкости

Выведем выражения для х-составляющей силы взаимодействия молекул на расстоянии r.

Введем безразмерные координаты: .

В новых переменных потенциал Леннард-Джонса примет вид:

(2.7)

Теперь х-составляющая силы взаимодействия молекул будет равна:

(2.8)

Интегрирование уравнений движения

После того, как все силы между частицами рассчитаны, можно проводить интегрирование уравнений движения Ньютона. Для этого разработаны различные алгоритмы. Рассмотрим распространенный алгоритм Верле.

Для вывода алгоритма разложим координаты частицы в момент времени в ряд Тейлора

, (2.9)

аналогично

. (2.10)

Суммируя два последних уравнения, получаем:

(2.11)

Или

. (2.12)

Погрешность уравнения (2.12) имеет порядок (где - шаг интегрирования по времени).

Алгоритм Верле позволяет получить и выражение для скорости частиц в момент времени . Для этого вычтем уравнение (2.9) из уравнения (2.10)

, (2.13)

. (2.14)

Этим методом значения скоростей могут быть получены лишь с точностью до .

После вычисления новых координат частиц можно отбросить значения координат в момент . Текущие координаты теперь рассматриваются как предыдущие, а только что рассчитанные новые координаты рассматриваются как текущие.

После каждого шага по времени вычисляется текущая температура, текущее значение потенциальной энергии (вычисляется вместе с расчетом сил) и полная энергия. При этом полная энергия должна сохраняться.

Применение метода молекулярной динамики для моделирования процесса диффузии

Диффузия обусловлена молекулярным движением частиц жидкости (газа). На макроскопическом уровне диффузия описывается законом Фика, согласно которому поток диффундирующих частиц пропорционален градиенту концентрации частиц этого типа со знаком минус

, (2.15)

Где D - коэффициент диффузии; - оператор «набла» (соответствует градиенту).

Рассмотрим моделирование процесса диффузии (самодиффузии) с позиций метода молекулярной динамики. Пусть в объеме жидкой фазы наносится возмущение индикатором в виде -функции Дирака

(2.16)

Реально это означает, что в момент времени в центре объема был импульсно введен индикатор с бесконечно высокой концентрацией. С макроскопической точки зрения для описания эволюции частиц индикатора необходимо привлечь закон сохранения массы частиц индикатора

. (2.17)

и объединить его с законом Фика (2.15). Тогда получим

. (2.18)

Решая уравнение (2.18) с начальным условием

(21)

где - дельта функция Дирака, получаем

. (2.19)

Здесь d - обозначает размерность системы.

На самом деле, нас интересует применение метода молекулярной динамики для оценки макроскопического параметра процесса молекулярной диффузии - коэффициента диффузии D.

Попытаемся связать эволюцию распределения во времени концентрации индикатора с коэффициентом диффузии D (макропараметром процесса).

Если ввести понятие нормированной концентрации индикатора как , (2.20)

То последняя будет являться функцией плотности распределения частиц индикатора по расстоянию от точки ввода индикатора в момент времени t (здесь - размерная экспериментально замеряемая концентрация индикатора).

Тогда справедливо следующее равенство:

, (2.21)

Где - математическое ожидание (среднее значение) квадрата радиуса продиффундировавших частиц индикатора к моменту времени t. Умножим теперь левую и правую части уравения (2.18) на и проинтегрируем по всему пространству:

(2.22)

Левая часть уравнения (2.22) равна .

Применяя интегрирование по частям к правой части уравнения (2.22), получаем:

(2.23)

Дополнительное задание: поливинилхлорид блочный.

Краткий исторический очерк. Характеристика и применение полимера

История ПВХ началась в 1835 году, когда горный инженер и химик Анри Виктор Реньо, работавший в лаборатории Юстуса фон Либигса в Гиссене, открыл винилхлорид. Ученый продолжил свои испытания во Франциии, в Лионе. В содержащем винилхлорид растворе, пробирка с которым находилась на подоконнике, за несколько дней произошли изменения: образовался белый порошок. Очевидно, в реакции принимал участие солнечный свет. Реньо проводил с порошком различные опыты, но не смог ни растворить его, ни вызвать никакой другой реакции. Ученый записал и опубликовал свои наблюдения, но больше не занимался этим случайно полученным веществом. Реньо, сам не зная того, впервые получил поливинилхлорид.

В 1878 году продукт полимеризации винилхлорида впервые был исследован более подробно, но результаты исследований так и не стали достоянием промышленности. Это произошло только в нашем столетии.Идея замены традиционной деревянной оконной рамы на пластик впервые пришла в голову американцам, но отнюдь не была принята благосклонно. Дальше история напоминает экономический детектив: в конце ХIХ века несколько предпринимателей решили, что будущее в освещении городов – за ацетиленом (был открыт простой и дешевый способ синтеза этого горючего газа). Они запустили многотонное производство карбида, но технический прогресс сыграл с ними злую шутку. Были изобретены мощные генераторы электрического тока и города действительно осветились, но не ацетиленовыми горелками, а электрическими лампочками. Предприниматели обанкротились, а огромные запасы карбида были распроданы дешево к радости химиков-исследователей.

В 1912-м году начались поиски возможностей промышленного выпуска ПВХ. В 1912 году один из этих исследователей, служащий химической фирмы «Грайсхайн Электрон» Фриц Клатте, обработал ацетилен хлороводородом и поставил получившийся раствор на полку. Через некоторое время он обратил внимание на выпавший осадок. Поскольку в то время химия уже много знала о строении вещества, он понял, что получил полимер, производное хлорида этилена (чаще называемого винилхлоридом) и описал его. О работах Реньо он, по всей видимости, не подозревал.

В 1913 году Фриц Клатте получает первый патент на производство ПВХ из винилхлорода. Он предполагает использовать ПВХ вместо легко воспламеняемого целлулоида, потому что ПВХ имел важное преимущество по сравнению со своим предшественником: он трудно воспламенялся. Начавшаяся первая мировая война помешала Фрицу Клатте заняться подробным исследованием свойств ПВХ и возможностей его применения, и производство приостановилось. Тем не менее Клатте по праву считается основоположником промышленного использования ПВХ. Перепроизводство хлора в конце 20х годов, которое было вызвано растущим спросом на натровый щелок, служивший сырьем для синтетического волокна, дало начало промышленному производству ПВХ. Хлор и натровый щелок образуются в неизменном соотношении в результате электролиза поваренной соли. Избыточное количество хлора необходимо было каким-то образом использовать.Переработка ПВХ была связана с серьезными трудностями. Уже при температуре 1000С материал начинал выделять хлороводород и приобретал красноватый оттенок. В результате многолетних опытов удалось установить, какие именно добавки изменяют свойства основного материала настолько, чтобы его можно было перерабатывать дальше.

Поливинилхлорид в медицине

В этой сфере опыт использования ПВХ колоссальный — более 50 лет. И с каждым годом востребованность в этом материале увеличивается. Изначально данный полимер начал применяться в изделиях медицинского назначения, когда остро появилась нужда заменить стекло и резину, которые приходилось постоянно стерилизовать, на одноразовые предметы. Идеальным веществом для их производства выявился поливинилхлорид, который отличается химической инертностью, стабильностью, безопасностью. Он прост в производстве, легко обрабатывается, из него можно сделать разные изделия. Медицинские предметы из ПВХ применяются даже внутри тела человека, настолько они безопасны. Они легко поддаются стерилизации, достаточно прочные и надежные.

Хоть полимеры заслужили себе не очень хорошую славу, ПВХ является безальтернативным материалом в медицине. И все здравоохранительные учреждения мира, проводящие исследования его безопасности, утверждают о безопасности и практичности поливинилхлорида.

Из ПВХ производят следующую медицинскую продукцию: — емкости для сбора крови и транспортировки внутренних органов; — трубки для кормления; — катетеры; — хирургические маски, перчатки, шины; — упаковки для пилюль и таблеток; — тонометры и т. д.

Почему же ПВХ является незаменимым и безальтернативным материалом для медиков? Причин тому несколько. Во-первых, вся медицинская продукция должна быть нетоксичной и соответствовать международным стандартам. Именно ПВХ среди других полимеров имеет разрешения Евросоюза и свидетельства абсолютной медицинской безопасности.

Следующий момент, который должен обязательно присутствовать в изделиях медицинского назначения — их абсолютная химическая стабильность. Контейнеры не должны изменять своих свойств под воздействием различных жидкостей, тем более, они не должны разрушаться или растворяться в них. Особенно это касается материалов, которые используются для сбора и переливания донорской крови. Они должны быть химически совместимы с ней.

Изделия из ПВХ могут быть достаточно прозрачными, если нужно — цветными. Кроме того, эти материалы обладают необходимой степенью прочности и гибкости при широком диапазоне температур и давлений. Поливинилхлорид отличается стойкостью к воздействию любых лекарственных веществ и легко переносит контакт с ними, не вступая в химические реакции. Из ПВХ можно сделать продукцию любого типа и формы, а именно жесткую, гибкую, мягкую и т. д.

Для медицинских материалов важной составляющей является их доступность. И ПВХ — лучший выбор по этому критерию, ведь это самый дешевый полимер.

ПВХ в транспортной индустрии

Поливинилхлорид не менее широко используется в изготовлении автомобильного транспорта. Наряду с полипропиленом он является самым востребованным полимерным материалом.

Так, из поливинилхлорида делают уплотнители для различных автомобильных деталей, покрытия, изоляцию для проводов, используют его в оформлении салона, приборных панелей, автомобильных дверей, подлокотников и т. д.

ПВХ — долговечный материал, поэтому те автомобили, в которых он используется, имеют гораздо больший срок эксплуатации. Так, до применения поливинилхлорида авто эксплуатировались около 11 лет, сейчас же средний срок составляет 17 лет. А это значит, что если автомобиль прослужит дольше, то будет меньше потребностей в производстве новых, что положительно отражается на экономии ресурсов и экологической ситуации.

ПВХ имеет еще одно несомненное преимущество для применения в автомобилестроении. Он облегчает массу автомобиля, не снижая при этом его прочность, что позволяет уменьшить расход топлива.

Благодаря применению поливинилхлорида автомобили стали более безопасными, так как его используют для создания защитных обшивок, подушек безопасности. А за счет того, что ПВХ стойкий к воздействию огня, это с еще одной стороны увеличивает безопасность водителя и пассажиров при эксплуатации автомобиля.

ПВХ — материал, которому можно придать любую форму и внешний вид, поэтому он активно применяется в дизайне автомобилей. После того, как для отделки салона начал использоваться поливинилхлорид, автомобили стали более комфортными, привлекательными, респектабельными. Современные ПВХ настолько совершенные, что могут имитировать натуральную кожу и быть практически идентичными по свойствам и внешнему виду ей. Этот материал обладает активными шумоизоляционными свойствами.

Итак, применение ПВХ при производстве автомобилей позволяет удешевить производство, сохранив при этом по максимуму качество.

В среднем, современный автомобиль, эксплуатируемый в Западной Европе, имеет в себе около 16 кг поливинилхлорида. Если посчитать, сколько стоит ПВХ, какова цена на авто и стоимость его производства, выходит сумма оценки ПВХ, используемого в авто Западной Европы, в 800 млн евро ежегодно. Если посчитать сумму ПВХ на автостроение по всему миру, то она будет составлять не менее 2,5 млрд евро, что говорит о востребованности и перспективности этого материала.

Использование ПВХ в строительстве

Поливинилхлорид — самый востребованный и популярный полимер в строительной индустрии. Так, в Европе более 50% всех строительных материалов составляет ПВХ, а в США — более 60%. Это обусловлено его преимуществами, которые кроме ПВХ имеют частично дерево и глина.

Итак, строительные ПВХ имеют следующие преимущества: — высокая прочность; — износоустойчивость; — легкость; — стойкость к коррозии; — жесткость; — возможность эксплуатации в любых погодных условиях; — огнеупорность.

ПВХ не горит сам по себе. Как только действие огня прекращается, горение и тление материала немедленно устраняется. А это значит, что использование этого вещества позволяет существенно повысить пожарную безопасность помещения. ПВХ применяется и для изоляции электрических проводов, так как не проводит ток.

ПВХ — очень долговечный материал, который может прослужить десятилетия. Именно поэтому его выбирают для возведения долгосрочных конструкций. Так, трубы из ПВХ могут прослужить около 40 лет, а сейчас создаются материалы, способные выдержать и столетнюю эксплуатацию. Те же самые эксплуатационные характеристики имеют оконные рамы и другие изделия.

ПВХ для строительства также является дешевым материалом, чем выгодно отличается на фоне конкурентов. Изделия из него легче, чем из железа, бетона, а прочность их не уступает. А это значит, что ПВХ выгоднее использовать, ведь он легче, поэтому на его установку и эксплуатацию потратится меньше средств, энергии, топлива. Более того, материал значительно длительнее эксплуатируется, чем дерево и железо, что также наводит на мысль об экономии.

ПВХ в игрушках

Из поливинилхлорида производят множество детских игрушек. Так, из него делают такие изделия: куклы, игрушки для водных игр, мячи, бассейны и так далее. Как правило, ни одну мягкую игрушку не производят без использования поливинилхлорида. Это еще раз говорит о безопасности материала, ведь он может контактировать с детьми, не причиняя им вред.

ПВХ и потребительские товары

ПВХ используется не только для медицинских изделий, игрушек, автомобилей и строительных товаров, но имеет и более широкое применение. Его можно встретить практически во всех предметах быта. А это мебель, линолеум, обувь, спортивный инвентарь, кредитные карточки, одежда, рюкзаки, сумки и прочие изделия.

Упаковка из ПВХ

Одной из самых глобальных сфер, где используется ПВХ, является производство упаковки. Так, только лишь в Европе ежегодно производится 250 тыс. тонн этого материала для упаковочных материалов. А это и жесткая, и гибка пленка, бутылки с крышками для них, прочие изделия. Таким образом, ПВХ — крайне востребованный полимер.

Сырье для получения полимера.

Получают суспензионной или эмульсионной полимеризацией винилхлорида, а также полимеризацией в массе.

Технологическая схема производства полимера. Основные стадии и аппараты

Полимеризация винилхлорида в блоке

Полимеризация жидкого винилхлорида в блоке происходит с образованием порошка полимера, вследствие непрерывного перемешивания реакционной смеси.

Производство поливинилхлорида методом блочной полимеризации до последнего времени было нецелесообразным, так как полимер получался в виде большого блока (если процесс осуществлялся периодическим способом), который трудно было измельчать и обрабатывать. Кроме того, выделяющаяся теплота реакции затрудняла регулирование температуры, что приводило к термическому разложению полимера, сопровождающемуся выделением хлористого водорода и появлением окраски. Но не так давно были предложены периодические и непрерывные методы блочной полимеризации винилхлорида в автоклаве в присутствии инициаторов радикального типа при 400-600 С. Поливинилхлорид, полученный в виде порошка, отличается большой чистотой и высокими электроизоляционными свойствами; может быть использован для изготовления прозрачных изделий.

Периодический метод. В автоклав емкостью 500 л из мерника под давлением азота подают 210 кг винилхлорида и вводят 0,06 кг азодиизобутиронитрила (динитрила азоизомасляной кислоты) в качестве инициатора. После удаления из автоклава воздуха устанавливают скорость вращения ленточной двуххожовой мешалки 70 об/мин и подают в рубашку нагретую до 600 C. Давление в автоклаве поднимается до 9,5 ат. При температуре полимеризации 54,50 С через 16 ч давление снижается до 8,5 ат. При этом замедляют вращение мешалки до 30 об/мин, и начинают удаление мономера, направляемого через фильтр в конденсатор. После установления нормального давления автоклав продувают азотом и с помощью мешалки выдавливают полимер в приемник. Выход тонкого поршка 73%. Полимер имеет константу Фикенчера К=63; содержание низкомолекулярных продуктов 4,8%.

Непрерывный метод. Во вращающийся автоклав емкостью 34 л, содержащий 10 шаров диаметром 80 мм и 10 - диаметром 60 мм, непрерывно подают 1,5 кг/ч винилхлорида и 0,045% динитрила азоизомасляной кислоты и каждые 20 мин четыре раза (серией) открывают выпускной клапан (каждый раз 0,5 сек) для выгрузки полимера. Последний представляет собой порошок, который в зоне пониженного давления теряет вследствие испарения адсорбированный винилхлорид. Выход поливинилхлорида достигает 65%. Продукт имеет К=65 и содержит до 10% низкомолекулярного полимера.

Полимеризация винилхлорида в суспензии

Для суспензионной полимеризации жидкий винилхлорид (под давлением) диспергируют в воде в присутствии гидрофильного коллоида (желатина или поливинилового спирта) и инициатора, растворимого в мономере. В качестве последнего чаще всего применяются перекись бензоила и динитрил азоизомасляной кислоты, но также рекомендуются перекиси ацетилбензола, алкоксибензоила, лаурила, киприлила и различные алифатические азотсоединения.

Подбором инициатора или смесей инициаторов можно регулировать скорость полимеризации винилхлорида и добиваться в ряде случаев повышения термо- и светостойкости получаемого полимера. Скорость процесса непостоянна и изменяется так же, как и при блочной полимеризации, т.е. достигает максимума вследствие гель-эффекта и затем падает. Изменением температуры в ходе полимеризации удается достигнуть приемлемых скоростей на всем протяжении реакции.

Размеры частиц полимера, получаемого при суспензионной полимеризации, зависят от типа применяемого стабилизатора, его количества и интенсивности перемешивания. В результате полимеризации образуется суспензия полимера в воде, которую можно легко отделить от водной фазы центрифугированием или фильтрованием.

Полимер, получаемый при суспензионной полимеризации, гораздо чище эмульсионного. Он содержит меньше примесей, способных к ионизации.

Полимеризацию проводят периодическим методом в автоклаве, футерованном нержавеющей сталью, емкостью 10 м3. Стабилизатором является поливиниловый спирт, содержащий 15% ацетатных групп, а инициатором - перекись бензоила.

В автоклав загружается 6000 кг воды, 3000 кг винилхлорида, 4 кг перекиси бензоила и 100 кг 5% раствора поливинилового спирта. Полимеризация протекает при 40-600С, в зависимости от требуемого молекулярного веса. Содержимое автоклава через рубашку нагревается горячей водой. Давление при самой низкой температуре полимеризации составляет 6 ат. По мере течения полимеризации теплоту реакции отводят при помощи холодной воды, циркулирующей в рубашке автоклава. Процесс продолжают до тех пор, пока давление не снизится до 1,2 ат. Это соответствует 90-95% превращению мономера в полимер. Длительность полимеризации 60 ч. Суспенизия полимера отжимается на автоматической центрифуге до содержания влаги 30-35%. Затем выдувается в сборник, откуда производится загрузка порошка поливинилхлорида в полочную сушилку непрерывного действия. Сушка осуществляется горячим воздухом при 80-1000С. Высушенный полимер подвергается измельчению и перешиванию с другими партиями полимера с тем, чтобы получить однородный продукт.

При использовании желатина в качестве диспергатора процесс производства поливинилхлорида, осуществленный в некоторых странах, включает ряд стадий: полимеризацию винилхлорида, щелочную обработку суспензии полимера, его промывку, сушку и просеивание.

Полимеризация винилхлорида в эмульсии.

При эмульсионной полимеризации винилхлорида мономер добавляют к воде, содержащей небольшое количество эмульгатора, например мыла, и водорастворимый инициатор, способный образовывать свободнве радикалы, например персульфат щелочного металла, перекись водорода и др. Иногда прибавляют также буфер для поддержания определенного pH среды.

В качестве эмульгаторов применяют различные мыла, например ализариновое, триэтаноломиновое, натриевую соль изобутилнафталинсульфокилсоты, натриевые соли кислот, получаемых окислением синтетических парафинов С12-С18. Эмульгатор обычно вводят в количестве 0,1-0,5% от веса воды. С увеличением его количества повышается дисперсность частиц полимера, существенно изменяется скорость реакции и средний молекулярный вес полимера.

Для эмульсионной полимеризации винилхлорида применяются как простые перекисные соединения, так и окислительно-восстановительные системы, обеспечивающие более высокую скорость полимеризации. Типичными примерами таких систем являются персульфат аммония и с гидросульфитом или бисульфитом натрия и хорошо известные системы перекись водорода - ионы железа.

Выводы:

Студенты группы К-31 были ознакомлены с работой Факультета ИТУ и тремя кафедрами:

• Кафедра Информационных компьютерных технологий

• Кафедра компьютерно-интегрированных систем в химической технологии

• Кафедра химико-технологических процессов

На каждой из кафедр они узнали ее историю, основные направления научных деятельностей и подготовки студентов, познакомились с руководством.

Также студентам было отведено время на изучения работы центра коллективного пользования в РХТУ им. Д.И. Менделеева, а также Международного учебно-научного центра фармацевтики и биотехнологий. В обоих центрах студенты ознакомились с перечнем оборудования, использующегося в работе, а так же с работой сотрудников.

Подводя итоги, можно сказать, что практическая работа была проведена не зря. Это дало понимание того, чем занимается наш Факультет, а так же каждое его подразделение, и того, насколько полезную и нужную в современном обществе деятельность он осуществляет. Это так же приблизило студентов к выбору тематики для будущих научно-исследовательских и дипломных работ.