«¬¤ ¤’ ”¤’ ¬ ”  XXI ¬  Интернет-форум магистрантов ВУЗов России 26-27 января 2006 года Выпуск 4 Тамбов 2006 УДК 04 ББК Я43 Н 72 Ответственный за выпуск – к.х.н., доц., зав. отделом магистратуры и бакалавриата Корчагина ...»

ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА МИРОВОМ РЫНКЕ

Работа выполнена под руководством к.т.н., проф. Клинкова А.С.

В мире отмечается стремительный рост потребления полимерных материалов. В России его темпы составляют 5–6% в год, что делает проблему утилизации отходов полимерных материалов более актуальной.

Пластмассы обладают рядом преимуществ перед традиционными материалами. Полимерные материалы используют в качестве конструкционных материалов, в производстве упаковки, игрушек, одежды, в сельском хозяйстве. Сегодня более 60% упаковки в Европе состоит из полимерных материалов, 15% деталей автомобиля сделаны из полимеров.

Использование изделий из полимерных материалов неуклонно связано с образованием отходов. Особенность полимерных отходов – их устойчивость к агрессивным средам, они не гниют, не разлагаются, процессы деструкции в естественных условиях протекают достаточно медленно.

Отходы полимерных материалов делятся на отходы производства и бытовые отходы. Производственные отходы перерабатываются прямо на предприятии, или же собираются и направляются на перерабатывающий завод. Данный тип отходов может перерабатываться без дополнительных операций очистки и сортировки, поскольку они не претерпевают никаких внешних воздействий.

Бытовые отходы, в отличие от производственных, подвержены световым, тепловым и механическим воздействиям, что негативно сказывается на свойствах материала.

На сегодняшний день существуют следующие способы утилизации отходов полимерных материалов: захоронение, сжигание и рециклинг.

Захоронение на полигонах и свалках – самый старый метод борьбы с отходами. Главное его преимущество – это простота. Основной недостаток – это отведение огромных площадей. Большинство свалок не имеют элементарных природоохранных сооружений – гидрозащитных экранов, (http://www.polymerindustry.ru/techs/section1066/article1072.html), что приводит к загрязнению воздуха, почвы и грунтовых вод различными соединениями (метаном, сернистым газом, диоксинами, солями тяжелых металлов, парами растворителей и др.). Большинство развитых стран давно отказались от захоронения отходов; так в Германии этим способом устраняется 8% отходов в год, в Великобритании – 10%, во Франции – 9%, и эта цифра постоянно уменьшается. По данным агентства «ИНЭКО», на конец 90-х гг. прошлого века в России только на зарегистрированных городских свалках скопилось более 55 млн. т отходов (http://www.kursiv.ru/kursivnew/paket_magazine/archive/34/8.php #text). В России захоронением в почву уничтожается 87% твёрдых бытовых отходов (ТБО).

Сжигание является методом утилизации отходов, позволяющим генерировать при этом полезное тепло. Недостатком является использование дорогостоящего оборудования. Как и захоронение, этот вариант устранения ТБО находится вне современных мировых тенденций, генеральной линией которых является ресурсо- и энергосбережение. Директива 94/62/ЕС, принятая в Европе ещё в начале 90-х годов прошлого века, наложила резкие ограничения на выбросы и эксплуатацию мусоросжигательных заводов (МСЗ), поэтому почти все МСЗ Европы закрылись, а которые остались, тратят очень много денег на реконструкцию очистительных систем, что экономически невыгодно. Неизвестно ни одного случая строительства мусоросжигательного завода в Европе за последние 10 лет, а во многих штатах США и провинциях Канады сооружение новых МСЗ запрещено законодательством. Важно отметить, что в развитых странах сжигается лишь та часть ТБО, которая не пригодна для вторичной переработки, но это явление в последние годы (http://www.polymerindustry.ru/techs/section1066/article1072.html). Так сжиганием перерабатывается в США – 16% отходов в год, в Германии – 30%, в Великобритании – 8%, в России – 10%.

Наиболее перспективным методом утилизации отходов полимерных материалов, позволяющим решить экологические проблемы и становящимся мощным сырьевым ресурсом, является механический рециклинг.

Весь процесс вторичной переработки включает в себя следующие стадии: сбор, сортировка, измельчение, отмывка, сушка, переработка.

Основными проблемами переработки пластиковых отходов являются сбор, очистка от инородных включений и сортировка. Эти стадии предварительной переработки отходов полимерных материалов являются энерго- и ресурсоёмкими, что сказывается на себестоимости продукции.

Основным оборудованием заводов вторичной переработки пластиковых отходов являются: дробилки, агломераторы, грануляторы (http://archive.expert.ru/oborud/05/05-05-01/data/util05.htm).

В Германии, в 2002 году, общее количество отходов полимерных материалов, переработанных механическим рециклингом, составило 355000 тонн, представляя долю 52% (http://www.dkr.de/en/ueber_uns/ 871.htm), в России было переработано около 115000 тонн, что составило менее 3% всех отходов полимерных материалов.

На практике переработанные отходы полимеров широко используются в различных отраслях хозяйствования:

- как структурирующие или наполненные материалы в ирригационных работах (дренажные и кабельные трубопроводы), сельском хозяйстве, дорожном строительстве (добавки к бетону, асфальту);

- при производстве строительных материалов (черепицы в смесях с неорганическими наполнителями, облицовочные панели для сельскохозяйственных сооружений, плитки для настила полов в промышленных зданиях, катушки для кабелей и др.);

- для изготовления изделий санитарно-технического назначения, химических волокон, автодеталей, потребительских товаров (мебели, одежды, обуви, посудохозяйственных изделий, тканевых покрытий и т.п.) и др.;

- в качестве добавок в полимерные композиции при изготовлении новых упаковочных изделий (http://www.polymerindustry.ru/techs/ section1066/article1072.html).

На кафедре «Переработка полимеров и упаковочное производство»

Тамбовского государственного технического университета разработана технология и оборудование для вторичной переработки упаковочных полимерных материалов. Данная технология позволяет полностью исключить дробление, что даёт возможность уменьшить энерго- и трудовые затраты и способствует уменьшению себестоимости продукции.

ПЕРЕРАБОТКА КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ

ВТОРИЧНОГО ПЭТФ ЭКСТРУЗИОННЫМ СПОСОБОМ

Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. Беляева П. С.

До сих пор уровень потребления полимеров в России все еще остается самым низким в мире, особенно по сравнению с развитыми промышленными странами. В то же время темпы роста их производства, переработки и потребления одни из самых высоких — до 35 процентов в год. Быстрый рост потребления вызван в основном стремительным развитием пищевой, упаковочной отраслей, сельского хозяйства — пленки (упаковочные, термоусадочные, для укрытия строек и теплиц, парников), пакеты, бутылки, флаконы, разовая посуда стали нашими повсеместными и повседневными спутниками [1].

Проблема вторичной переработки полиэтилентерефталата (ПЭТФ) является актуальной, т.к. объем выпуска упаковок из этого материала, преимущественно одноразового использования, постоянно увеличивается. Использование отходов пластмасс в качестве конструкционного материала является экономически выгодным, но реализовать это достаточно сложно технологически, поскольку свойства вторичного полимерного сырья обычно несколько хуже первичного из-за процессов деструкции, протекающих в материале при эксплуатации изделий, их хранении, повторной переработке, а также из-за наличия загрязнения в них.

Одним из возможных направлений вторичной переработки ПЭТФ является использование его для модификации вторичного полиэтилена. В целом ПЭТФ имеет хорошие физико-механические характеристики и неплохо совмещается со всеми марками полиэтилена. Высокая температура плавления ПЭТФ затрудняет его совместную переработку с полиэтиленом из-за опасности термодеструкции последнего.[2] Путем совмещения ПЭТФ и литьевого ПЭВП получают композиции со следующими характеристиками: при содержании 40% (вес.) ПЭТФ температура плавления смеси составит 149 С, вязкость расплава 10,2 Па·c10-3, а показатель текучести расплава 1,5-3 г/10мин.[3] Использование отходов полимеров при производстве композиционных строительных материалов вызывает необходимость определенных изменений в аппаратурном оформлении процессов переработки. Если говорить о наиболее широко применяемом для переработки отходов методе экструзии, то из этих особенностей необходимо отметить следующие: наличие в питательном бункере ворошителя и шнека для облегчения условий подачи материала в зону загрузки экструдера; коническую форму цилиндра в зоне загрузки для повышения степени сжатия материала; достаточную длину червяка (отношение L/D не менее 25) для хорошей гомогенизации и исключения пульсации; обязательное наличие зоны разряжения для дегазации расплава, обеспечивающая удаление летучих компонентов, образующихся при переработке загрязненных отходов; наличие фильтров в головке экструдера.[4] Для получения композиционных материалов из отходов полимерных материалов применяются блочные установки. Основным блоком перерабатывающей установки «Reverser» Японской фирмы «Mitsubishi Petrochemical» является экструдер с мощностью привода 90 кВт, диаметром шнека 253 мм и отношением L/D=3,75. На выходе экструдера сконструирована гофрированная насадка диаметром 420мм. Благодаря выделению тепла при трении и сдвиговым воздействиям на полимерный материал он плавится за короткий промежуток времени, причем обеспечивается быстрая гомогенизация расплава. Изменяя зазор между конусной насадкой и кожухом, можно регулировать усилие сдвига и силу трения, изменяя при этом режим переработки. Поскольку плавление происходит очень быстро, термодеструкции полимера не наблюдается. Система снабжена узлом дегазации, что является необходимым условием при переработке вторичного полимерного сырья Другой тип экструдера для переработки смешанных отходов имеет короткий шнек длиной 5 диаметров с трехзаходной нарезкой. Конец шнека срезан перпендикулярно его оси. Ровная лобовая поверхность вращается относительно неподвижной плоскости основания цилиндра. В пространстве между этими плоскостями возникает зона сдвиговых нагрузок, диспергирующее действие которой сравнимо с действием дискового пластикатора (отличается высокой диспергирующей и гомогенизирующей способностью) т.е., работает по принципу использования эффекта нормальных сил, возникающих при сдвиге вязкоэластичного материала между вращающимся и неподвижным дисками.[7] Поступающая масса под давлением, возникающим в каналах шнека, и вследствие трения о стенки цилиндра уплотняется.

Переход в пластичное состояние происходит в пространстве между лобовой поверхностью шнека и корпусом цилиндра в результате интенсивных сдвиговых усилий и выделяющейся при этом теплоты рассеяния. Такой метод пластикации имеет два основных преимущества: очень короткое время пребывания материала в пластичном состоянии (от долей секунды до нескольких секунд) и саморегулирование вязкости расплава, так как частицы массы с вязкостью выше среднего значения подвергаются большим сдвиговым нагрузкам и претерпевают более сильное тепловое воздействие, что автоматически ведет к понижению вязкости. Широко используются для переработки смешанных отходов двухшнековые экструдеры. Получение композиционных полимерных материалов методом экструзии обеспечивает в применяемом для этого оборудовании четко определенное время пребывания перерабатываемого материала при температуре пластикации и исключает его «задержку» в зоне высоких температур. Это предотвращает перегрев и термодеструкцию материала.

Равномерность прохождения полимера по цилиндру обеспечивает хорошие условия для дегазации в зоне пониженного давления, что позволяет удалять влагу, продукты деструкции и окисления и другие летучие, как правило, содержащиеся в отходах. Большой опыт, достигнутый при переработке отходов некоторыми зарубежными фирмами, позволяет им использовать индивидуальные полимерные отходы без смешения с товарным продуктом. Однако в этом случае большое значение приобретает сортировка, классификация и дополнительное смешение материала с необходимыми добавками. Отходы после предварительного испытания в лаборатории сортируют, затем при необходимости измельчают, просеивают, сушат, уплотняют и в зависимости от качества складируют в промежуточных бункерах. Далее в промежуточных смесителях осуществляется введение стабилизаторов и других добавок, а также, если требуется, наполнителей. После этого в пластосмесителях экструзионного типа или в двухчервячных экструдерах проводят гомогенизацию расплава с одновременной дегазацией и удалением инородных включений фильтрованием. Контроль процесса на различных стадиях осуществляется по следующим показателям: степень загрязнения, термостабильность, уровень дегазации, изменение молекулярной массы, текучесть, гомогенность расплава, прочностные характеристики [5]. Особенностью переработки ПЭТФ является наличие предварительной стадии сушки материала, обеспечивающая удаление из него влаги.

Это позволяет исключить процесс гидролиза ПЭТФ, который идет при наличии воды. При переработке отходов пластмасс необходимо определять степень загрязнения их другими материалами такими, как металлобумажные продукты, стекло и процентный состав в случае переработки комбинированных полимерных материалов. Первой задачей является:

сортировка и разделение пластмасс от побочных материалов. Второй шаг – полимерные фракции разделены в отдельные полимерные группы ПЭНД, ПЭВД, ПП, ПС, ПЭТФ. Если ПЭТФ является целевым материалом, то требуется дополнительная сортировка для удаления таких материалов как ПВХ, полиолефины и другие полимеры. Каждый шаг имеет свои тонкости и имеет большое влияние на конечное качество полимера.

Требуется строгое соблюдение технологических параметров таких, как температура воды при разделении ПЭТФ от полиолефинов (крышки), температура раствора NaOH для очистки ПЭТФ от клея, влажность материала перед экструзией и т.д.

методом экструзии необходимо строго следить за качеством измельченных частиц ПЭТФ перед регрануляцией. ПЭТФ подвержен во время экструзионного процесса деструкции. Это значит, что необходимо восстановить исходный молекулярный вес при помощи твердофазной конденсации. Во время конденсации одновременно происходит деконтаминация (очистка) от вредных веществ.

на цвет полимера. Наблюдается пожелтение материала. Для повторного пользования этот эффект не желателен, поскольку он ограничивает количество годного регранулята при производстве новых бутылок. Коррекцию цвета получаемых бутылок из ПЭТФ с использованием регранулята осуществляют с помощью специальных добавок (например, типа изделий возможно применение и 100% вторичного ПЭТФ для производства не ответственных изделий.[6] 1. Пластические массы, 2002, №12, с.6.

2. Каменев Е. И., Мясников Г. Д., Платонов М.Г. Применение пластических масс: Справочник. Л., 1985.

3. Пластические массы, 1998, №4, с. 40-42.

4. Торнер Р. В. Теоретические основы переработки полимеров. М., «Химия», 1977.

5. Быстров Г. А. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс, 1982.

6. Пластические массы, 2005, №1, с.35-36.

7. Красовский В. Н., Воскресенский А. М. Сборник примеров и задач по технологии переработки полимеров. «Вышэйшая школа», Минск, 1975.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЭКСТРУДАДА

ИЗ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Соколова М. В.

Производство эластомеров на современном этапе развития, возрастает в среднем на 5-6 % ежегодно и к 2010 году, по прогнозам, достигнет 250 млн. тонн Одним из самых распространенных методов переработки резиновых смесей является экструзия.

В практике получения изделий из резиновых смесей существуют проблемы, которые нередко приводят к браку изделий, это изменение геометрических размеров экструдата на выходе из формующего инструмента – “разбухание” и ухудшения физико-механических показателей экструдата за счет термодеструкции (подвулканизация) при изменении режимных параметров процесса.

Явление «разбухание» является следствием нескольких процессов.

При входе в формующий инструмент возникают напряжения, релаксирующие во время пребывания в нем расплава. Остаточные напряжения в заготовке в момент выхода ее из формующего инструмента и вызываемое ими поперечное расширение потока связаны со скоростью выдачи заготовки. Кроме того, при движении расплава в канале поперечный градиент скорости приводит к ориентации молекул в направлении потока, а по выходе из формующего инструмента происходит их дезориентация, что также приводит к деформации заготовки. Выравнивание профиля скоростей в потоке по выходе расплава из зазора формующего инструмента также приводит к некоторому увеличению сечения заготовки независимо от относительной длины формующего инструмента. При этом следует подчеркнуть, что в зависимости от температуры пластиката и его свойств превалировать может тот или иной процесс.

В современных условиях экономического развития для успешного проектирования конкурентоспособного экструзионного оборудования необходимо определять такие технологические параметры и геометрические размеры формующего инструмента, которые удовлетворят условию получения качественных изделий.

Для определения качества получаемого изделия необходимо исследовать свойства перерабатываемого материала до загрузки в экструдер и после проведения экструзии.

Для расчета напряжений сдвига, которые вызывают изменение размеров экструдата используется математическая модель процесса экструзии резиновых смесей [1].

Для изучения проблемы создана экспериментальная установка, которая выполнена на базе машины МЧХ-32 рис.1.

TE TE TE

1 - шнек; 2 -цилиндр; 3 -формующая головка; 4 - загрузочное устройство; 5 - опора шнека; - редуктор; 7 - термостат; 8 - электродвигатель; 9 - дорнодержатель; 10 - охлаждающая ванна; 11 - прижимные ролики; 12 - экструдат; 13 - цифровая камера; TE - датчик термопары; PE-датчик давления; A-амперметр; V – вольтметр Экспериментальная установка представляет собой экструдер с диаметром шнека D = 0,032 м, отношением длины нарезки к диаметру L/D = 10, углом наклона его нарезки = 17о, глубиной винтового канала h = (0,0030,007) м, шириной гребня – е = 0,0035 м, зазором между гребнем шнека и внутренней поверхностью материального цилиндра - = 0,002 м.

Вращение шнека машины происходит от электродвигателя постоянного тока с возможностью регулирования угловой скорости его в пределах = (0 7,85) с-1. ЭУ снабжена системой термостатирования цилиндра, шнека, формующей головки, которая включает термостат, снабженный термопарой и приборами регулирования и контроля температуры теплоносителя (воды). В цилиндре установлена термопара для измерения температуры резиновой смеси. Формующая головка снабжена датчиком давления и термопарой для измерения давления и температуры резиновой смеси на выходе из канала нарезки шнека, соответственно. Из формующей головки экструдат попадает в ванну оснащенную термопарой и прижимными роликами. Ванна содержит инертный теплоноситель с плотностью 1100-1150 кг/м3. Применение данного устройства позволяет исключить случайное влияние на изменение размеров экструдата сил тяжести и температуры окружающей среды на выходе из формующей головки, которые случайным образом влияют на изменение размеров экструдата.

Измерение размеров экструдата осуществляется с помощью цифровой камеры в трех положениях (рис.1), которая закреплена на штативе.

Управление приводом экспериментальной установки осуществляется пультом. На щите расположены: амперметр - для задания нужной частоты вращения; вольтметр - для измерения потребляемого напряжения.

На рис. 2 представлена модернизированная экструзионная головка для исследования технологического процесса переработки резиновых смесей. Головка оснащена системой термостатирования, датчиком давления часового типа для определения давления на входе в формующие каналы. Для определения температуры выхода смеси в головке предусмотрено отверстие в мундштуке для игольчатой термопары, а для определения температуры в центре формующих каналов имеется отверстие в дорнодержателе.

В процессе эксперимента необходимо выбрать такой режим экструзии и конструкцию формующего инструмента, чтобы в исследуемом материале не возникало разбухания, то есть значение относительного изменения диаметра экструдата (отношение диаметра заготовки к диаметру мундштука) было минимальным.

Эксперимент проводиться следующим образом: резиновая смесь НО-68 приготовленная в центральной заводской лаборатории завода “АРТИ-Завод” г. Тамбова с известными свойствами, резалась на ленты шириной 20 мм. и наматывалась на загрузочный барабан экспериментальной установки. Далее установка в течении 30 минут разогревается (выход на режим) и производится серия экспериментов. Которые заключаются в получении образцов в течении 30 секунд с фиксированной частотой вращения n=(4;10;20,30;40,50;60) об/мин для различных диаметров мундштука и соответствующих им длин при d1= 8 мм l1=(23, 31,39) мм;

d2= 10 мм l2=(23, 33,43) мм; d3= 12 мм l3=(23, 39,55) мм.

Также снимаются следующие параметры: Tсм.вых. [С0] – температура выхода экструдата, Тсм.вх. [С0] – температура на входе в формующие каналы, Тд. [С0] – температура в дорнодержателе, которые измеряется игольчатой термопарой; P [дел] – давление которое снималось по датчику часового типа; I [А] - потребляемый ток замерялся с помощью амперметра; Q [кг/ч] - производительность шнековой машины, которая получается взвешиванием каждого полученного образца [г/(30сек)]. На выходе из оформляющего канала цилиндрическая заготовка попадает в ванну, где измеряются диаметры проекции экструдата в трех положениях с помощью цифровой камеры. После охлаждения образцов размеры экструдата измеряются в тех же точках, что позволит рассчитать относительное изменение диаметров образца до и после охлаждения.

1. Туляков Д.В., Жирняков Д.В., Соколов М.В., Клинков А.С. Моделирование процесса экструзии профильных заготовок из эластомеров.

Сборник докладов 5-ой Международной научно-технической конференции. “Авиакосмические технологии. АКТ-2004”, Воронеж. 2004.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

МОДИФИКАЦИИ ДОРОЖНЫХ БИТУМОВ ПОЛИЭТИЛЕНОМ

В СМЕСИТЕЛЕ ТУРБИННОГО ТИПА

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Маликова О. Г.

Современное состояние дорожного строительства показывает, что с увеличением транспортного потока, повышаются и требования к качеству дорожного покрытия.

Анализ литературных источников показал, что наиболее распространенным методом повышения качества дорожного покрытия является модификация дорожного битума, являющегося основным компонентом при приготовлении асфальто-бетонных покрытий. В качестве модификаторов могут использоваться такие материалы, как полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), пластики типа стирол-бутадиен-стирол (СБС), резиновая крошка, сера и др. ПЭ воздействует на битум как отвердитель, способствует снижению термической чувствительности; СБС уменьшает термочувствительность полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) в интервале эксплуатационных температур, повышает пластичность; резиновая крошка уменьшает термочувствительность, улучшает когезию, упругость и устойчивость к старению; сера делает вяжущее более жидким в горячем состоянии, предупреждает отслаивание битума от минерального материала и т.д.

Целью данной работы является исследование технологического процесса модификации дорожных битумов отходами из полимерных материалов.

Для проведения процесса модификации была разработана экспериментальная установка на базе турбинного смесителя периодического действия, представляющая собой вертикальный аппарат со смесительной камерой и рабочими органами в виде сочетания лопастных и пропеллерных мешалок, расположенных по всему объему смесительной камеры. В нижней и верхней части смесительной камеры расположены пропеллерные мешалки, устремляющие потоки жидкости соответственно вверх и вниз к центру смесительной камеры, где расположен набор из четырех лопастных перемешивающих элементов, устремляющих эти потоки от центра к стенкам камеры. На экспериментальной установке проведены исследования влияния времени модификации, процентного содержания модификатора, температурных режимов и скорости вращения рабочих органов на физико-механические показатели модифицированного битума. Модификация проводилась на дорожном битуме марки БНД 60/90, в качестве модификатора использовался полиэтилен, так как изделия из полиэтилена составляют значительную часть твердо-бытовых отходов, нуждающихся в переработке.

На рисунках 1,2,3,4, представлены результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств ПБВ в зависимости от времени смешения при процентном содержании ПЭ 1%, температуре 160C и скорости вращения рабочих органов 1600 об/мин.

пенетрацмя,*0.1мм Из рис. 1 видно, что в результате модификации битума значение пенетрации снизилось по сравнению с чистым битумом. Это объясняется тем, что в результате введения ПЭ в битум вязкость системы становится выше, что и уменьшает глубину проникновения иглы (пенетрацию).

На рис.2 представлена зависимость растяжимости ПБВ от времени смешения. Чистый битум проявляет постоянное значений растяжимости.

ПБВ, полученное на Z-образном смесителе характеризуется более низким показателем растяжимости, чем для чистого битума, что объясняется наличием крупных включений ПЭ, вследствие низкой диспергирующей способности смесителя. Растяжимость ПБВ, полученного на турбинном смесителе, возрастает с увеличением времени смешения, что объясняется лучшей диспергирующей способностью турбинного смесителя по сравнению с Z-образным.

температура размягчения, С На рис.3 изображена зависимость температуры размягчения ПБВ от времени смешения. Как видно из рисунка значение температуры размягчения ПБВ, полученного на Z-образном смесителе, резко увеличивается с увеличением времени смешения до 1 часа, а затем выходит на стабильный уровень в районе 51 С. Использование турбинного смесителя приводит к увеличению температуры размягчения до такого же уровня уже при длительности смешения 30 мин.

На рис.4 изображена зависимость эластичности ПБВ от времени смешения. Чистый битум не обладает свойством эластичности. Модифицированный битум обладает некоторой эластичностью, что положительно сказывается на качестве дорожного покрытия.

Таким образом видно, что при модификации дорожного битума ПЭ можно добиться положительных результатов в области улучшения физико-механических свойств вяжущего, что позволит повысить качество дорожного покрытия, а также улучшить экологическую ситуацию в нашей стране.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОВЯЗКИХ

КЛЕЕВЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Работа выполнена под руководством к.т.н., проф. Клинкова А. С.

Высоковязкими средами принято считать расплавы полимеров, пасто- и тестообразные композиции с эффективной вязкостью более 0, МПа·с. Перемешивание таких сред осуществляется механическими способами и происходит в ламинарном режиме. Поэтому обычно смесители для высоковязких сред называют ламинарными. При перемешивании в смесительной камере может возникать тангенциальное течение (масса движется параллельно траектории движения лопастей перемешивающего органа), радиальное (масса движется от рабочего органа перпендикулярно оси его вращения) и осевое (масса поступает и вытекает из смесителя параллельно оси вращения рабочего органа). Различают смесители периодического и непрерывного действия.

Для перемешивания высоковязких сред наиболее часто применяются лопастные, валковые, червячные, и роторные смесители. Широко используются также двухроторные смесители закрытого типа периодического действия. При необходимости готовить большое количество смеси применяют роторные и червячные смесители непрерывного действия [1].

Современное народное хозяйство повсеместно требует внедрения более интенсивных технологических процессов. Особенно это связано с резким увеличением использования в промышленности и быту резиновых полимерных клеев. Наращивание выпуска этой продукции заставляет прикладную науку расширять поиск по созданию новых, более эффективных процессов производства клея. Если в предшествующие годы основное увеличение выпуска клеев происходило за счет переоснащения производства однотипного оборудования, но с увеличенным рабочим объемом, и наращивания качества этих клеесмесителей, то сейчас это неприемлемо. Такой путь расширения производства не может быть неограниченным при определенном значении его экономическая эффективность становиться отрицательной в следствии повышения энергетических, эксплуатационных и капитальных затрат. Альтернативный путь интенсификация технологического процесса. Это предполагает применение принципиально новых технологий и типов оборудования. Характерные признаки этого принципиального новшества: смесители с малыми объемами и высоко интенсивными перемешивающими рабочими органами, с высокой удельной производительностью с единицы рабочего объема смесителя и низкими эксплуатационными капитальными затратами с высокой степенью механизации и автоматизации, с резким снижением пожароопасности и вредных газовыделений. В настоящее время исследователи остановились на непрерывных технологиях. Но непрерывная технология накладывает жесткие требования на транспортабельность и дозируемость исходного материала. Они могут быть выполнены только приданию исходному сырью порошкообразного вида, а затем жидкотекучего состояния промежуточного продукта. Однако это заставляет включить в технологический процесс новые стадии: предварительной обработки и подготовки исходных полимеров[2].

Густые клеи (мази) готовят преимущественно в клеемешалках с опрокидывающимся корпусом. Каучук или резиновую смесь с растворителем смешивают в клеемешалках (емкостью 100-800 л) с двумя горизонтальными - образными или роторными лопастями; частота вращения лопастей неодинакова. При выгрузке клея корпус наклоняют на 90- специальными подъемными (опускными) механизмами. При такой конструкции привода лопастей допускается их вращение и в наклонном положении корпуса, что облегчает выгрузку густого клея [1]. Жидкие клеи с низкой вязкостью изготовляют преимущественно в клеемешалках со стационарным корпусом емкостью 125-2000 л; причем рабочая емкость составляет 60-70% от общей емкости аппарата. Горизонтально расположенные лопасти цилиндрической формы с двумя или тремя небольшими крыльями имеют одинаковую частоту вращения / 25-40 мин /. Для улучшения смешения и циркуляции растворителя, имеющего низкую плотность и располагающегося в верхней зоне корпуса, клеемешалка снабжена третьей лопастью пропеллерного типа, установленной на вертикальном валу; лопасть вращается с частотой 100-140 мин, специальный механизм позволяет изменить положение лопасти по высоте [3]. Одна из проблем перемешивания необходимость изменения характера и мощности смешения по мере изменения вязкости продукта в ходе процесса.

Одно из решений аналогичной задачи разработано фирмой "Про-КуипИнк"(США) для реактора полезным объемом 2 м3, установленного в производстве адгезивов. Консистенция продукта в процессе меняется от низковязкой до 150000 сП. Аппарат снабжен двумя мешалками: якорноскребковой и турбинной, посаженной на концентрическом валу, проходящем внутри вала якорной мешалки. Оба вала имеют общую нижнюю опору; при низкой вязкости среды ее циркуляцию обеспечивает турбинная мешалка, а с повышением вязкости основную задачу выполняет якорно-скребковая. Приводы мешалок раздельные, частота вращения турбинной мешалки 800 об/мин, якорной 17 об/мин. Уплотнение валов обеспечивается набивным сальником. Давление в аппарате в процессе меняется от вакуума до 75 кгс/см2 Осуществление непрерывного процесса становится возможным благодаря разделению его на две стадии, протекающие одновременно в различных аппаратах: набухание каучука (резиновой смеси) в емкости предварительного набухания; пластикация и растворение в двухшнековом смесителе. Установка состоит из двух емкостей предварительного набухания соединенных с дозирующим двухшнековым устройством через шаровые краны двухшнекового смесителя и системы дозирования растворителей, состоящей из насосов-дозаторов и емкости для растворителя. Двухшнековый смеситель представляет собой корпус, внутри которого смонтированы два наборных шнека вращающихся в одну сторону. Шнеки состоят из подающих и обратных червячных насадок и смесительных элементов. Смеситель работает следующим образом. Каучук или резиновая смесь загружается в одну из емкостей для набухания и заливают определенным количеством растворителя.

В течений установленного промежутка времени происходит набухание каучука (резиновой смеси) в растворителе. По окончании процесса набухания открывается шаровой кран и набухшая масса поступает в двухшнековый дозатор, где происходит её предварительная гомогенизация. Из дозатора масса поступает в корпус двухшнекового смесителя, где под воздействием рабочих органов происходит окончательная гомогенизация массы и смешение её с растворителем. После того как одна из емкостей включается в работу на выгрузку, в другую загружается новая порция каучука заливается растворителем. Таким образом обе емкости работают поочередно и этим достигается непрерывная работа установки. Проведенный анализ литературы по данной теме показал, что наиболее перспективным способом изготовления клеевых композиций являетеся непрерывный способ.

Он имеет следующие преимущества над периодическим процессом.

1.Стабильность физико-механических показателей клеевых композиций.

2.Отсутствие пиковых нагрузок, позволяющих уменьшить мощность смесителей и получение высококачественных клеевых композиций с минимальны ми затратами.

3.Возможность полной механизации и автоматизации процесса.

4.Увеличение безопасности и улучшение культуры производства.

В связи с вышеизложенным наиболее перспективным направлением является непрерывный способ получения клеевых композиций в двухшнековом смесителе с предварительным набуханием каучука или резиновой смеси.

1. Р.В. Торнер, М.С. Акутин оборудование заводов по переработкепластмасс.

2. Ф.Ф. Кошелев, А.Е. Корнев, А.М. Буканов Общая технология резины. - М.: Химия, 1978, - 528 с.:ил.

3. П.Н.Дейнега, А.С.Дамов, С.Р.Миронов, А.С.Левина, Новое оборудование для приготовления клеев, - с.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ БИТУМА

Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. Беляева П. С.

Нефтяные битумы находят широкое применение в дорожном и гражданском строительстве, благодаря высокой пластичности, способности выдерживать без разрушений воздействие низких температур, температурных перепадов, различных деформационных нагрузок.

Данная методика исследования долговечности распространяется на рулонные кровельные материалы, изготовляемые на битумном (и его модификации) вяжущем, и устанавливает методы испытания на стойкость к старению под воздействием искусственных климатических факторов: света, тепла, влаги и холода. За величину стойкости кровельного материала к старению принимают количество циклов, в течение которых физико-механические показатели материала снизились до величин, указанных в действующих стандартах и технических условиях на каждый вид материала. Первый метод заключается в создании экстремальных условий эксплуатации материала и делится по виду и применяемого излучения: А. При определении стойкости к старению кровельного материала по I режиму испытание проводят по следующему циклу: облучение образцов в течение 360 ч в аппарате искусственной погоды с ксеноновой лампой мощностью 6 кВт при температуре "черной панели" 50-55°С с периодическим дождеванием образцов в течение 3 ч через каждый ч. При режиме работы ксеноновой лампы мощностью менее 6 кВт продолжительность облучения ( ) вычисляют по формуле где - фактическая мощность работы используемой лампы, кВт.

Разрешается вместо дождевания производить замачивание образцов в течение 2 ч через каждые 22 ч облучения;

Б.в течение 24 ч с последующей выдержкой в течение 10 мин на воздухе при температуре плюс 20°С для стекания воды;

в) замораживание образцов при температуре минус 40°С в течение 72 ч;

г) 60 переходов через 0°С по следующему температурному режиму одного перехода: 1 ч выдержки при температуре плюс 10°С и 1 ч - при температуре минус 10°С.

б. При определении стойкости к старению кровельного материала по II режиму испытание проводят с использованием ксеноновой или двух угольных ламп по следующему циклу:

а) облучение образцов при температуре "черной панели" 50-55°С в течение 17 ч;

б) замачивание образцов в дистиллированной воде (или их дождевание) в течение 2 ч;

в) замораживание образцов при температуре минус 18-20°С в течение 2 ч;

г) выдержка образцов при температуре 20±2°С в течение 3 ч.

Второй метод заключается в исследовании воздействия высоких температур на материал.

Методика заключается в следующем:

Суть этого метода заключается в изменении температуры слоя состава толщиной 1 мм до предельной величины (10—15 °С) под воздействием повышенных температур. Сравнением результатов испытаний битуминозных составов в лабораторных условиях и при воздействии естественных климатических факторов установлена следующая корреляция:

5 ч теплового старения при повышенных температурах соответствуют одному году эксплуатации кровли.

Результаты исследования на тепловое старение битумных вяжущих с Тр, равной +2, -1, -6, -9,-16 и-19 °С. показали, что наиболее легкоплавкий (и наименее остаренный в заводских условиях) битумный сплав, имеющий начальные значения Т = = 52 °С и Т = -19 °С, приобрел предельную Т = +15 °С через 17 лет. У составов, имеющих Т = 60, 70 и °С, предельные Т были достигнуты при тепловом старении в течение 75, 60 и 40 ч, что соответствует эксплуатации в естественных условиях 16, и 8 годам. Битум пятой марки служит на кровле в течение двух—трех лет.

В связи с этим режимом ускоренного испытания кровельных материалов было принято искусственное попеременное замораживание и оттаивание с добавлением ультрафиолетового и теплового (при 80— °С) воздействий на образцы. При этом продолжительность условного года доведена до 6 сут. за счет интенсификации циклов «замораживаниеоттаивание» (в том числе увеличение числа переходов через 0 °С), учитывая н.

1. Поваляев М. И. Кровли промышленных зданий. Основы повышения надежности: Авт. реф. дис... д-ра техн.наук. 1985.

2. Поваляев М. И., Воронин А. М., Андреева Г. Н., Михайлова О. К..

Повышение надежности кровель// Строительные материалы. 1982. №5.

3. Воронин А. М., Шитов А. А. Кровли из эффективных наплавляемых битумнополимерных материалов// Пром. и гражд. стр-во. 1996. № 6.

4. ГОСТ 18956-73. Материалы рулонные кровельные. Методы испытаний на старение под воздействием искусственных климатических факторов.

5. Summari. Durability of Derbigum roofs in practice, 1995.

тепломассообменных процессов Руководитель программы д.т.н., проф. Коновалов В. И.

ВЛИЯНИЕ АЗОДИКАРБОНАМИДА НА КИНЕТИКУ СУШКИ

ОПТИЧЕСКОГО ОТБЕЛИВАТЕЛЯ – ПРОИЗВОДНОГО

БИСТРИАЗИНИЛАМИНОСТИЛЬБЕНА

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Набатова В. А.

Получение пористого материала в ряде производств является целевой задачей [1]. Одним из важнейших видов химических добавок, используемых для этого, являются порообразователи, обеспечивающие получение изделий с низким объёмным весом [2]. Наиболее типичными примерами такого рода являются: пенорезины, пенобетоны, пенопласты, микрогранулированные отбеливатели и красители и т.д. [1-3].

В данной работе было изучено влияние азоформамида (торговое наименование ЧХЗ-21) на кинетику сушки водных дисперсий оптического отбеливателя белофора КД-2 (4,4' - бис (4'' – анилино - 6'' – морфолино – триазин – 2'' – ил - амино) – 2,2' – стильбендисульфокислота, динатриевая соль). К достоинствам ЧХЗ-21 следует отнести высокое газовое число (0,230 – 0,270 м3/кг), стабильность при хранении, низкие взрыво - и пожаробезопасность, высокую растворимость в горячей воде [4]. Поэтому его применение в производстве оптических отбеливателей и красителей наиболее перспективно. ЧХЗ-21 плавится при температуре 205 °С [4], что является существенным недостатком при получении пористого микроранулированного отбеливателя Белофора КД-2, так как он является термически неустойчивым [3, 5].

Для снижения температуры разложения ЧХЗ-21 применяются стандартные приемы, которые подробно описаны в обзоре [2].

Термическую устойчивость соединений оценивали с использованием дериватографического анализа [3, 6]. Он позволяет прогнозировать поведение исследуемых веществ в процессе сушки, так как в основу обоих методов заложено термическое воздействие на вещество.

При изучении кинетики сушки в процессе эксперимента фиксировались изменения температуры и убыли массы образца [3].

На рис. 1 представлены результаты дериватографического анализа порофора ЧХЗ- Как следует из данных рис. 1, при температуре 185 °С на кривой DTA (зависимость 1) наблюдается экзопик, которому соответствует минимум на кривой DTG (зависимость 2). Можно сделать вывод, что при этой температуре разлагается ЧХЗ-21. Очевидно, что использование порофоров с такими высокими температурами разложения для получения пористых отбеливателей нежелательно. Это было показано в работе [3].

Для снижения температуры разложения ЧХЗ-21 используются многочисленные добавки [2]. Наиболее эффективными являются паратолуолсульфокислота (ПТСК) и ZnO. Результаты дериватографического анализа композиции, состоящей из ЧХЗ-21, ПТСК и ZnO, представлены на рис. 2.

Из данных рис. 2 следует, что в данном случае экзопик на кривой DTA смещается к температуре 110 °С (зависимость 1), а максимальная скорость разложения порофора наблюдается при температуре 100 °С. В пользу этого свидетельствует минимум, проявляющийся при этой температуре на кривой DTG (зависимость 2).

На рисунке 3 представлены экспериментальные данные о потерях массы образцов при проведении дериватографического анализа.

Анализируя данные рисунка 3 можно сделать вывод, что потери массы у образца отбеливателя, не содержащего порофор (зависимость 1), примерно в 2,5 раза выше, чем у композиции с порофором (зависимость 2). Полученные данные находятся в соответствии с выводами, сделанными в работе [3], что введение карбамида (порофора) в композицию отбеливателя существенно повышает термическую устойчивость целевого вещества в процессе сушки.

Потеря массы образцов композиций отбеливателя Рис. 3. Потери массы образцов отбеливателя без порофора и в присутствии порофора.

1 - Белофор КД-2, 2 - композиция: Белофор КД-2 + ЧХЗ-21 + ПТСК + ZnO. ЧХЗ-21, ПТСК, ZnO добавляли в композицию в соотношении 1:1:1 в количестве 2 % (масс) При проведении кинетических исследований процесса сушки было установлено, что введение порофора в композицию уменьшает влажность материала в конце первого периода в 1,8 раза, при этом продолжительность первого периода сушки не изменяется.

Было предположено, что присутствие ЧХЗ-21 в отбеливающей композиции обеспечивает в процессе сушки образование пористой структуры, в результате чего второй период протекает более интенсивно, и общая продолжительность процесса уменьшается в 1,5 раза.

1. А. А. Берлин, Ф.А. Шутов. Химия и технология газонаполненных высокополимеров. - М.: Наука, 1980, 503 с.

2. Г.В. Тархов, Р.Н. Гмызина, Т.Ю. Ляпина, И.В. Малеева, Л.А. Пугачева. Современные направления в области модификации азодикорбонамида. Обзорная информация. НИИТЭХИМ. М.:1988, 10 с.

3. А.Н. Утробин. Кинетика сушки и микрогранулирования продуктов аналино-красочной промышленности при наличии химических превращений (на примере оптических отбеливателей). Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., Тамбов: ТГТУ, 2003, 239с.

4. Химические добавки к полимерам. Справочник. Под. ред. И.П.

Масловой. М.:Химия. 1981, с. 205-218.

5. Патент РФ 2238956.

6. З.Б. Киро и др. Получение и определение комплексообразующей способности N-бензилзамещенных метионина. ЖПХ., 1987, №6, с. 1429Редин Д. Ю., Ковалев С. В., Мамонтов В. В.

СЕКЦИОНИРОВАНИЕ МЕМБРАННОЙ УСТАНОВКИ

ТРУБЧАТОГО ТИПА ПРИ РАЗДЕЛЕНИИ ВОДНОГО РАСТВОРА

СУЛЬФАТА НАТРИЯ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Кормильцина Г. С.

В ранее рассмотренной работе [1] производился расчет селективности и определения рабочей поверхности мембраны при разделении водного раствора сульфата натрия.

С целью выбора оптимального q проведём несколько вариантов секционирования, задаваясь различными q.

q – величина, определяющая допустимое изменение расхода по длине каждой секции.

Примем q=1,5. Тогда имеем:

Полученное значение на 1 единицу больше имеющегося числа элементов (n=12). Поэтому, вычтем из первой секции один элемент, т.е.

примем n1=7, n2=5.

Соотношение расходов:

Примем q=1,4. Тогда Соотношение расходов:

Примем q=1,3. Тогда Примем q=1,2. Тогда Примем q=1,1. Тогда Таким образом, получаем:

Таблица 1. Данные полученные в результате расчета.

На основе этих данных строим график зависимости отношения L1/Lm и числа секций m от q.

Из рисунка можно видеть, что с увеличением q отношение расходов и число секций сначала быстро снижаются, а затем в интервале q=1,15 – 1,20 на кривых наблюдается перегиб, и снижение становится замедленным.

Рис. 1. График зависимости отношения L1/Lm и числа секций m от q.

Построив на графике диагональ, можно увидеть, что при q=1, отношение L1/Lm=q, т.е. при этом значении q снижение расхода по длине каждой секции равно снижению среднего расхода от первой до последней секции. Исходя из примерного равенства расходов в каждом канале каждой секции, это значение можно было бы взять в качестве рабочего.

Однако следует учитывать, что по мере концентрирования раствора в нём одновременно увеличивается содержание взвешенных частиц, практически всегда имеющихся в технологических растворах, даже подвергнутых предварительному фильтрованию. Это может привести к ускоренному загрязнению мембран в последних секциях, сопровождающемуся снижением удельной производительности, а иногда и селективности.

Уменьшение среднего расхода (а, следовательно, скорости потока) от первой к последней секции способствует этому нежелательному процессу. Кроме того, снижение q сопровождается увеличением числа секций, что усложняет конструкцию аппарата. В связи с этим в качестве рабочего значения q целесообразно выбрать значение больше диагонального, равного 1,155. Примем для дальнейших расчётов q=1,5. Для этого значения получено следующее распределение элементов по секциям:

Таблица 2. Распределение элементов по секциям Определим средние расходы в каналах первой и последней секции по формулам:

Отношение 5 : Найдем отклонение этого значения от полученных в расчетах:

Такую сходимость следует признать удовлетворительной, учитывая, что в расчетах число элементов в секциях округлялось до целых единиц, и из числа элементов в первой секции был вычтен один избыточный элемент.

1. Расчет наблюдаемой селективности и рабочей поверхности мембраны на ультрафильтрационной установке трубчатого типа/Ковалев С.В., Красненков П.Г., Мамонтов В.В.//ТГТУ Инновации в мире российской науки XXI века, выпуск 2.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др.

Под редакцией Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991.-496 с.

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ДЕСТРУКТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ

ПРИ СУШКЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛУПРОДУКТОВ

Работа выполнена под руководством к.т.н., проф. Леонтьевой А. И.

Большинство термолабильных полупродуктов органических красителей, будучи подверженными тепловому воздействию, даже при достаточно низкой температуре, могут подвергаться деструкции с потерей концентрации целевого вещества, которая может достигать 2025%. В связи с этим важной является количественная оценка термохимических превращений, которые могут происходить с целевым компонентом при его тепловой обработке в процессе сушки.

Для получения количественных оценок термодеструктивных превращений целевого вещества при проведении процесса сушки органических полупродуктов необходимо провести сопоставление экспериментально полученной и расчетной зависимостей изменения концентрации целевого вещества во времени [1].

где С п ( ) - убыль концентрации целевого вещества, С прасч ( ) и С п ( ) – расчетная и экспериментально полученная зависимости измеэксп нения концентрации целевого вещества во времени.

При допущении, что С п ( ) является монотонно возрастающей функцией, становится возможным применить к ее исследованию формализованный подход, позволяющий суммарно учесть все изменения, происходящие с целевым продуктом в процессе его сушки.

Для математического описания изменения во времени величины С п ( ) предлагается применить функциональную зависимость вида где k0разл, Еaразл, nП – обобщенные кинетические и энергетические характеристики процессов, приводящих к снижению концентрации продукта (константа скорости, энергия активация и порядок реакции).

Полученные экспериментальным путем данные аппроксимировались двухпараметрической функцией вида (2) с использованием методов статистической обработки многофакторного эксперимента и методов линеаризации показательной и экспоненциальной зависимостей [2, 3].

При этом, для изучения влияния температуры на скорость изменения концентрации основного вещества расчетные значения производной d(Сп())/d соотносились с температурой образца в процессе его сушки.

Таким образом формировались данные на убыли целевого компонента в исследуемом температурном диапазоне. На рис. 1, 2 приведены экспериментальные данные, полученные при температуре сушильного агента 800С и 1600С.

Влагосодержание, кг /кг Концентрация, кг/ кг Абсолютное значение Рис. 1. Кривые изменения влагосодержания (а), температуры образца (б), изменения концентрации целевого вещества (в), скорости убыли концентрации (г), убыли концентрации вещества (д), зависимость скорости убыли концентрации от расчетн.

концентрации (е) при сушке Гамма-кислоты на фторопластовой подложке в БЦС, скорость сушильного агента 7 м/с, температура сушильного агента 800С Влагосодержание, кг/кг Концентрация, кг/ кг Абсолютное значение Рис. 2 Кривые изменения влагосодержания (а), температуры образца (б), изменения концентрации целевого компонента (в), скорость убыли концентрации целевого вещества (г), убыли концентрации вещества (д), зависимость скорости убыли концентрации от расчетного значения концентрации (е) при сушке Гамма-кислоты на фторопластовой подложке в БЦС, скорость сушильного агента 7 м/с, температура сушильного агента 160 0С Исследование процесса сушки Гамма-кислоты с точки зрения сохранения концентрации целевого компонента проводились на кафедре «Химическая инженерия» в большой циркуляционной сушилке (температура сушильного агента составляла 800С, 1000С, 1400С и 160 0С, скорость воздуха изменялась от 1,5 до 7,5 м/с.). Начальное влагосодержание продукта варьировали в пределах от 0,6 кг/кг до 12 кг/кг. В случае начального влагосодержания более 3,5 кг/кг, из-за большой подвижности суспензии, исследования возможно было провести только на сплошных фторопластовых подложках.

Проанализировав вышеприведенные зависимости можно придти к следующим выводам 1. Зависимости, полученные при различных температурах аналогичны друг другу и различаются по абсолютным значениям 2. Повышение начальной температуры проведения процесса сушки Гамма-кислоты до 160 0С увеличивает скорость термодеструктивных процессов, но за счет сокращения общей продолжительности термического воздействия концентрация высушенной Гамма-кислоты оказывается выше.

С использованием методов математической обработки экспериментальных данных по сушке и термической устойчивости Гамма-кислоты было получено эмпирическое уравнение (3), позволяющее с точностью до 10,1 -11,4% рассчитывать скорость потери целевого вещества Гаммакислоты в процессе ее сушки в исследованных диапазонах изменения технологических параметров.

Численные значения величин k, n, EA могут быть использованы в проектных расчетах оборудования для сушки, при выполнении оптимизации режимных параметров и времени сушки по условию максимального сохранения концентрации целевого компонента 1. Орлов А.Ю., Главатских Н.С. Исследование термической устойчивости некоторых полупродуктов органических красителей в процессе их сушки // Сборник статей магистрантов по материалам научной конференции 15-17 февраля 2005 года. Выпуск I. Часть I. – Тамбов: ТОГУП «Тамбовполиграфиздат», 2005.– 144 с.

2. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1971. – 496 с.

3. Кафаров В.В., Ветохин В.Н., Бояринов А.И. Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии. М.: Наука, 1972. – 487 с.

Руководитель программы д.т.н., проф. Промтов М. А.

К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНЕРТНЫХ НОСИТЕЛЕЙ

ПРИ СУШКЕ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Пахомова А. Н.

Весьма актуальным является создание и использование аппаратов псевдоожиженного слоя с механическими побудителями и на инертном носителе [1, 2, 3].

Основными проблемами сушилок с инертом являются: неравномерный скол с носителя налипшего и высохшего материала, унос влажного материала в циклоны или рукавные фильтры, износ частиц и попадание его в продукт, пожаро- взрывоопасность из-за образования статического электричества, нарушение равномерного псевдоожижения [4, 5, 6].

В таблице приведено описание существующих подходов к решению описанных проблем [7, 8, 9].

Улучшение Поместить Инертный носители выполнен в виде двойного отслаивания внутрь частицы сферического сегмента из эластичного материала высушиваемого инертного (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентематериала с носителя термо- рефталат, фторопласт и т.п.), внутри которого поверхности биметалличе- размещен ТБ-элемент. ТБ-элемент предназначен инертного носи- ский элемент для изменения формы поверхности инертного теля. (ТБ-элемент). носителя при изменении его температуры. Увеличение ширины пластины из ТБ металла уменьшает влияние сил внутреннего сопротивления и Улучшение Установить Инертный носитель в виде частиц фторопласта качества сушки полый вал с размером 3 мм. Теплоноситель проходит через комкующихся лопастями. газораспределительную решетку, создает кипяматериалов. щий слой инертного носителя. Часть теплоносителя (30-40 %) поступает в полый вал, установленный внутри слоя по его оси, а затем в лопасти реактивные струи. В результате однонаправленности загиба лопастей и лопаток полый вал начинает вращаться, чем обеспечивается интенсивное Интенсификация Организация Теплоноситель, подаваемый через тангенциальсушки суспензий дополнительных ные вводы барабана, делится при помощи кольца и пастообразных контуров цирку- и диффузора на два потока: пристеночный и материалов во ляции инерта. центральный. Потоки теплоносителя воздействувзвешенном ют на инертный носитель (инертный материал в закрученном частиц. этом образуется плотный кольцеобразный закрученный слой инертных частиц. При взаимодействии вращающегося ротора, погруженного в слой Улучшение Использовать «Бинарный инерт» представляет собой смесь отслаивания и бинарный инерт. фторопластовых и алюминиевых частиц, причем скол высохшего выбор алюминия в качестве дополнительного к корпуса сушил- физико-механических и других свойствах при Интенсификация Организация В цилиндрическом корпусе, частично заполненсушки. встречных ном инертными телами произвольной формы, в закрученных его нижней части расположена газораспределипотоков инерт- тельная решетка с конусом в центре. Кольцевая ных тел. газораспределительная решетка с цилиндрическими соплами закреплена в верхней части корпуса. Между кольцевой газораспределительной Нами планируется исследование процесса сушки в псевдоожиженном и фонтанирующем слоях инертного носителя и разработка рекомендаций по интенсификации процесса и улучшению скола высушенного материала с поверхности инерта.

1. Коновалов В.И., Гатапова Н.Ц., Шикунов А.Н., Утробин А.Н. Кинетика сушки дисперсий на бинарном инертном носителе // Докл. V Междунар. Форума по тепло- и массообмену (ММФ-2004). 24 – 28 мая г. Минск: ИТМО, 2004. Секция 7. Докл. № 7 – 16. 11 с.

2. Романков П.Г., Рашковская Н.Б. Сушка во взвешенном состоянии.

Л.: Химия, 1968. 330 с.

3. Гинзбург А.С., Резчиков В.А. Сушка пищевых продуктов в кипящем слое. М.: Пищевая промышленность; 1966, 358 с.

4. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. М.: Химия;

1970, 568 с.

5. Гатапова Н.Ц. Кинетика и моделирование процессов сушки растворителей, покрытий, дисперсий, растворов и волокнистых материалов:

единый подход. Дис. …докт. техн. наук. – Тамбов: ТГТУ, 2005. – 554 с.

6. Шикунов А.Н. Кинетика процессов сушки дисперсий и кристаллообразующих растворов. Дис.... канд. техн. наук. – Тамбов: ТГТУ, 2004.

– 250 с.

7. Патент РФ № 2245348. Инертный носитель для сушки продуктов в псевдоожиженном слое («бинарный инерт») / В.И. Коновалов, Н.Ц.

Гатапова, А.Н. Шикунов, А.Н. Утробин, А.И. Леонтива // Заявл.

18.08.2003 г.

8. www.fips.ru 9. www.sibindustry.ru

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ

ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Информационные технологии проектирования электронных средств Руководитель программы д.т.н., проф. Муромцев Ю. Л.

ТЕХНОЛОГИИ РАСПОЗНАВАНИЯ РЕЧИ

Работа выполнена под руководством к.т.н.Орлова В. В.

ТГТУ, Кафедра «Конструирование радиоэлектронных Переход от графического пользовательского интерфейса (GUI) к свободному общению с компьютером представляется вполне естественным по причине того, что большинству из нас проще высказать свою мысль вслух, чем записать ее, кроме того, современные компьютерные интерфейсы (GUI и командная строка) задают пользователю жесткие ограничения, которых можно было бы избежать, научив компьютер понимать нашу речь.

Для распознавания необходимо записать человеческую речь, автоматически разобрать ее на минимальные составляющие, свериться с базой сэмплов, подставить нужные фонемы, а потом собрать из фонем слова, расставив знаки препинания на основе анализа просодических эффектов.

Но на практике человеческая речь — понятие не точное и наш мозг постоянно выполняет сложнейшую работу по распознаванию образов.

Разработчикам систем распознавания речи пришлось столкнуться с тем, что люди в массе своей говорят неразборчиво и не всегда в приемлемых шумовых условиях. Кроме того:

- Язык (а разговорный язык — тем более) не является постоянным.

В большинстве языков имеется несколько диалектов, и даже в рамках одного диалекта существует несколько равноправных вариантов произношения одного и того же слова.

- У каждого из нас есть свои речевые особенности, которые могут затруднить распознавание речи.

- В естественной речи содержатся звуки и слова-паразиты («эээ», «ммм», «как-бы» и т.д.), которые необходимо отфильтровывать.

- В реальной жизни редко встречаются идеальные условия для записи звука: как правило, запись речи сопровождается шумами разной природы, которые мешают выделить голосовой сигнал для дальнейшей обработки.

Кроме этого сюда добавляются эффекты коартикуляции (а их правильная обработка в задаче распознавания речи куда критичнее, чем в задаче синтеза; если там мы рискуем лишь тем, что слово будет звучать ненатурально, то здесь в результате неправильной обработки коартикуляции система не найдет нужное слово в словаре.

Существующие технологии не позволяют решить эти проблемы в комплексе. Поэтому в зависимости от поставленной задачи техники распознавания речи меняются. Однако у них есть много общего (например, почти все современные системы распознавания речи используют для поиска нужных фонем скрытые модели Маркова [1]).

Долгое время системы распознавания требовали, чтобы пользователь выговаривал каждое слово отдельно, однако появились пакеты, умеющие обрабатывать так называемую слитную речь. Но системе попрежнему требуется время на обработку услышанного, и гораздо эффективнее выдавать ей законченные предложения (если они короткие) или более-менее самостоятельные фрагменты предложений. Во многих современных пакетах распознавания есть синтаксические и семантические модули, и подобная разбивка облегчит распознавание, одновременно улучшив качество. Иными словами, «слитная речь» в данном случае является синонимом диктовки.

Другой важный критерий — привязка к пользователю. На самом деле практически все современные системы распознавания речи являются обучаемыми. Разница только в том, что дикторо-независимую систему обучил производитель, заложив в неё сотни, или тысячи примеров. Поскольку у таких систем — при прочих равных условиях — требования к компьютерным ресурсам намного выше, а производительность хуже, то на потребительском рынке большей популярностью пользуются системы, которые пользователь после покупки подгоняет «под себя». Тем не менее, приложений, для которых важна именно независимость от пользователя, более чем достаточно — автоматические корпоративные коллцентры, например, должны быть универсальны.

Третий критерий – размер словаря. Чем меньше словарь, тем проще обучить систему и сделать ее дикторонезависимой. Единственное исключение из этого правила – голосовой набор в мобильных телефонах. Эта система снабжена очень маленьким словарем — но, с другой стороны, и системные требования у нее крайне скромны, раз она работает на мобильном телефоне.

Если разработчики, занимающиеся синтезом речи, начинали с копирования человеческого голосового аппарата и только потом разработали систему компилятивного синтеза, «собирающую» нужные слова из обрывков фонем, то системы распознавания речи имеют мало общего с тем, как распознает речь человеческий мозг. Скрытые модели Маркова, которые стали применять для распознавания в 1970-е гг., оказались эффективным средством для поиска нужных фонем, но они не являются панацеей и не способны решить все проблемы распознавания речи. У современной науки весьма неясные представления о глубинных процессах, отвечающих за распознавание речи в нашем мозге, так что делать какие-то выводы о качестве систем распознавания мы можем лишь потому, что есть задачи, которые им совсем не под силу:

- Они не умеют автоматически распознавать язык диктора. Любой человек, хоть раз слышавший итальянскую речь, скорее всего, узнает ее, услышав снова (при этом он может не иметь ни малейшего представления о самом языке). Машина так не умеет, она применяет заложенную в нее языковую модель, независимо от того, на каком языке с ней говорит человек.

- Они не умеют выделять речь по-настоящему. Качество распознавания в шумном окружении падает чуть ли не вдвое. Главным средством борьбы с шумами являются механизмы подавления, которые эффективны далеко не всегда. Сосредоточиться на речи собеседника, отсеяв все остальные звуки, как необязательные для распознавания, и уж тем более выделить речь одного человека из диалога система не может;

- Распознают они не очень хорошо. Человек легко поймет общий смысл сказанного и большинство слов, даже если у собеседника очень сильный акцент. В то же время система распознавания, выполняющая сравнение элементов фонем в этом случае будет давать сбои.

И, наконец, самое главное. Хотя при распознавании используются элементы синтаксического и семантического анализа, нужно признать, что машины из того, что мы им говорим, ничего не понимают [2].

Основным подходом к проблеме распознавания речи в настоящее время является ИМЗ-подход. Он базируется на иерархическом (И) принципе обработки информации и на использовании многозначных решений (МЗ) на всех уровнях этой обработки. Опыт исследований показывает, что для достижения приемлемой для практики надежности распознавания речи требуется решение проблемных задач на всех уровнях. А это требует больших затрат и времени. Поэтому выдвигается ряд промежуточных, но важных для практики задач:

1. распознавание отдельно произносимых слов;

2. выделение ключевых слов в потоке речи;

3. распознавание слитной речи, составленной из слов заданного словаря.

Оказалось, однако, что и решение перечисленных задач для произвольного диктора или неограниченного словаря требует серьезных усилий и остается еще целый ряд принципиальных вопросов, требующих глубокой проработки [3].

Основной техникой для многих систем распознавания речи является статистический метод, называемый скрытым марковским моделированием. Такие системы разрабатываются во многих центрах и способны на "хорошее распознавание слов речи, не используя тренировку распознавания акустической речи". Данный результат был получен тестированием системы на данных, полученных из министерства обороны США, содержащих записи тысяч телефонных переговоров. В масштабах ограниченного тестирования вероятность правильно обнаруженных 22 ключевых слов варьировалась от 45 до 60% при условии допущения 10 ложных положительных результатов на ключевой слово в час. Таким образом, если 1000 ключевых слов было использовано во время часового переговора, будет, по крайней мере, 300 пропущенных ключевых слов и 220 ложных обнаружений. Другими словами качество распознавания не позволяет практически использовать систему.

Одно из применений системы распознавания речи – автоматический анализ и обнаружение в телефонных переговорах ключевых слов, которые могут отнести произносящего их человека к преступникам или террористам, что становится в наше время особенно актуально.

Из-за отсутствия привязки к говорящему и нечеткости выделенного сигнала из перехваченных телефонных переговоров, скорее всего даже лучшие алгоритмы и быстрые процессоры, чем используемые сейчас, будут давать худшие результаты, чем получаемые в современных хорошо обученных системах [4].

Из вышесказанного можно сделать выводы:

- современные системы распознавания не являются полностью дикторонезависимыми, и их приходится настраивать под конкретного человека;

- для качественной работы требуются большие вычислительные мощности, поэтому эти системы нельзя встраивать в различные устройства;

- качество распознавания не является высоким.

Для устранения перечисленных недостатков необходима разработка новых алгоритмов, основанных на анализе процессов распознавания речи человеком, а также проектирование новых аппаратных средств, предназначенных для этой цели.

1. http://www.cs.berkeley.edu/~murphyk/Bayes/rabiner.pdf 2. Таран О., Мирошниченко С., Гуриев В. Ничего никому не скажу//Компьютерра-2005.- №36.-C&C Computer Publishing Limited.-78 c.

3. http://www.agentura.ru/equipment/radio/nepr/ 4. http://impb.psn.ru/~sychyov/html/sound00.shtml

УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕТОДОМ СВЧ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ПК

Работа выполнена под руководством ст. преп. Малкова Н. А.

ТГТУ, Кафедра «Конструирование радиоэлектронных Для измерения диэлектрической проницаемости фазовым методом в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) предлагается использовать установку, блок-схема которой представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Блок-схема фазового измерителя диэлектрической проницаемости Измерения проводятся методом сравнения сигнала, прошедшего через образец материала, и сигнала, прошедшего по волноводному тракту.

Генератор 2 включён в плечо E двойного волноводного тройника 1.

Из плеч двойного тройника выходит две противофазные волны. Первая волна проходит через аттенюатор 3 и фазовращатель 5. Вторая волна проходит через аттенюатор 4 и образец материала, помещённого между антеннами 6 и 7. Далее оба сигнала суммируются, поступая в H-тройник.

Суммарная волна преобразуется в ток детектором 10. Этот ток снимается с выхода 2. Детектор 9 включён в плечо H двойного тройника. Ток на выходе 1 зависит от мощности отражённого от образца сигнала.

Аттенюаторы и фазовращатели служат для согласования двойного тройника, при отсутствии образца между антеннами. Для измерений в межантенное пространство помещается исследуемый образец материала.

Состояние согласования при этом нарушается, и на выходах 1, 2 появляется ток. Ток на выходе 2 зависит от соотношения амплитуд и фаз двух волн, прошедших через образец и волноводный тракт, а ток на выходе зависит от амплитуды отражённого от образца материала.

Для проведения двухканального измерения предлагается использовать устройство на базе микроконтроллера, управляемое с персонального компьютера (ПК). Такая схема измерения значительно упрощает всё устройство в целом, т.к. расчёт диэлектрической проницаемости ведётся на ПК.

Разработано 2-а варианта многоканального измерителя. Первый вариант построен на базе микроконтроллера AT89C51. Второй вариант построен на базе микроконтроллера PIC16F873.

Блок-схема измерителя на базе AT89C51 представлена на рисунке 2.

микроконтроллер Рис. 2. Блок-схема измерителя постоянного тока Микроконтроллер AT89C51 не имеет встроенного АЦП, поэтому необходимо использовать внешнее АЦП и мультиплексор, для коммутации входов. Мультиплексор управляется с помощью микроконтроллера, который, в свою очередь получает соответствующие команды с ПК.

Сигнал с детекторов предварительно усиливается с помощью 2-х усилителей постоянного тока (УПТ).

Блок-схема измерителя на базе микроконтроллера PIC16F873 представлена на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема измерителя постоянного тока Микроконтроллер PIC16F873 имеет встроенный АЦП и мультиплексор на 5 входов. Поэтому измеритель значительно упрощается. Также микроконтроллер PIC16F873 поддерживает внутрисхемное программирование, что позволяет обновлять программу, не вынимая микроконтроллер из корпуса.

Однако устройство на базе AT89C51 также имеет свои преимущества, т.к. позволяет использовать АЦП с большей разрядностью и более качественный мультиплексор, чем те, которые встроены в PIC16F873.

Оба устройства управляются с ПК через интерфейс стандарта RS232.

Более подробно принцип управления описан в [2].

Для проведения измерения предлагается использовать программное обеспечение [3].

Программы обоих микроконтроллеров разработаны с учётом полной совместимости, т.е. программа ПК может работать с обоими устройствами без изменений.

1 Конструирование экранов с СВЧ-устройств / А.М. Чернушенко, Н.Е. Меланченко, Л.Г. Малорацкий, Б.В. Петров; под ред. А.М. Чернушенко. М.: Радио и связь, 1983. 400 с.

2 И.О. Котов. Программно-аппаратный комплекс для измерения параметров материалов в СВЧ диапазоне // Сборник статей магистрантов.

Тамб. гос. техн. ун-т. Тамбов, 2005. Вып. 1. – С. 12- 3 И.О. Котов. Программное обеспечение ПК измерителя параметров материалов методами СВЧ // Сборник статей магистрантов: современные проблемы науки глазами будущих учёных. Тамб. гос. техн. ун-т. Тамбов, 2005. Вып. 3. – С. 107-

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ

НА БАЗЕ ЯЗЫКА ВЫСОКОГО УРОВНЯ PHP

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Артемовой С. В.

В настоящее время большое внимание уделяется проблеме энергосбережения. В частности она сводится к решению задачи энергосберегающего управления энергоемкими промышленными объектами. Для этих целей все более широко стал использоваться язык программирования высокого уровня PHP. Он открывает отдельную линию технологий :

Hypertext Preprocessor (Изначально — Personal Home Page). Схема построения активных Web-ресурсов значительно снижает трудоемкость и упрощает сопровождение разрабатываемых средств.

Базовая комплектация PHP поддерживает сессионность и другие возможности, что позволяет создавать легко интегрируемые Webприложения. Сильной стороной технологии является возможность расширения ядра для разработки дополнительных модулей. Благодаря этому, в PHP введена поддержка работы с SQL-источниками данных, COMобъектами, CORBA, XML, сетевыми прикладными протоколами, различными мультимедийными форматами данных, и др.

Из множества преимуществ PHP можно выделить простоту, универсальность (решение широкого спектра задач), портабельность (многоплатформенность и широкое распространение PHP-процессоров для различных Web-серверов), высокую производительность. Основным недостатком является концепция совмещения элементов представления (например, дизайна документа) и программной бизнес-логики, что затрудняет коллективную разработку проектов и их последующее сопровождение.

Также, следует отметить, что как язык программирования, PHP применяется только в сфере Web-программирования, что затрудняет повторное использование бизнес-логики, созданной для Web-приложения[1].

На крупных промышленных предприятиях постоянно возникает вопрос о рациональном расходе энергоресурсов. Программный модуль, размещенный на Web-сайте позволит оперативно решать подобные проблемы. Возможны варианты для различных объектов. Рассмотрим один из примеров решения такой задачи.

В качестве модели объекта используется двойное аппериодическое звено (ДА). Мы можем наложить на рассматриваемый объект ограничения как по времени так и по управлению.

Задача оптимального энергосберегающего управления (ЗОУ) формулируется как задача с закрепленными концами траектории изменения вектора фазовых координат z и фиксированным временным интервалом управления t. В качестве функционала используется минимум затрат энергии или расхода топлива. На скалярное управление u накладываются два вида ограничений: для каждого момента времени и интегральные для всего интервала управления[2].

Математически данную ЗОУ можно записать в следующем виде.

Нелинейный объект, описываемый системой дифференциальных уравнений необходимо перевести из начального состояния z0 в конечное zk, т.е.

при ограничениях на управление и минимуме функционала При этом задается массив исходных данных:

R=(a1,a2,b,uH,uB,z10,z1k,z20,z2k,t0,tk), где а1,а2,b – параметры объекта управления.

В результате решения задачи требуется найти вид и параметры функции оптимального программного управления при ограничениях (3.2), (3.3):

а также рассчитать:

В результате программный модуль, размещенный на WEB-сайте, позволяет разработчику привлечь партнеров не только из России, но и изза рубежа. И обеспечить дальнейшее тесное сотруднечество.

1. Дж. Кастаньетто, Х. Рават, С.Шуман идр. Профессиональное PHP программирование. – М.: Символ-Плюс, 2001. – 912с.:ил.

2. Муромцев Ю.Л., Ляпин Л.Н., Качкин В.В., Сатина Е.В. Микропроцессорные системы оптимального управления: Учебное пособие, Тамбовс.ин-т хим. машиность.,1990.-93с.

электронно-вычислительных средств Руководитель программы д.т.н., проф. Брусенцов Ю. А.

О ВОЗМОЖНОСТИ ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ

МОСТОВОЙ СХЕМЫ С ПОМОЩЬЮ МДП СТРУКТУРЫ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Королёва А.П.

Существует множество полупроводниковых преобразователей давления со схемой термокомпенсации. Чаще всего прибор состоит из четырёх тензорезисторов, образующих измерительный мост, и схемы термокомпенсации, состоящей из транзистора, и двух резистов, которая включена в цепь питания моста, также в этом случае дополнительно вводятся нормирующий и токоограничивающий резисторы.

С целью упрощения схемы устройства, повышения надёжности, а также для расширения функциональных возможностей устройства можно заменить схему температурной компенсации полупроводниковой ячейкой, которая имеет возможность постоянного контроля температуры в зоне измерения.

Температурные изменения рассчитываются по известной математической модели [3]. Информация о температуре и деформации поступает в вычислительное устройство, в котором происходит расчёт выходной характеристики полупроводникового датчика с учётом температурных колебаний окружающей среды.

Предлагаемый измерительный преобразователь обладает более стабильными параметрами, более широким диапазоном измеряемых температур, он не подвержен старению. Также его возможно изготовить в едином технологическом цикле, что значительно снижает его стоимость, повышает воспроизводимость и точность выходных характеристик.

1. Брусенцов.Ю.А.,Минаев.А.М.Основы физики оксидных полупроводников: Учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002.

2. В.Ф.Попов. Физические основы микроэлектроники: Учебнометод. пособ. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та,2001.

3. Koroljev A.P., Shelokhvostov V.P., Chernyshov V.N. Semiconductor Primary Initial Transformer Design for Heat Values Measurment. Tambov:

Transactions of Tambov State Technical University, 1999, v.5, №4, p.536-542.

4. Королёв А. П., Шелохвостов В. П., Чернышов В. Н. Вестник ТГУ.Т.5,вып.2-3,2000. с.334-337.

УСТАНОВКА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА

РЕЗОНАНСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Шелохвостова В. П.

В методике контроля наличия нанообъектов в суспензиях и растворах наилучший результат дает метод НПВО. Принципиальная схема НПВО для выше упомянутой методики показана на рисунке 1.

Рис. 1. Схема метода НПВО для резонансной спектроскопии 1-призма; 2-световой поток; 3-пленка металла (Ni); 4-фотоприемник; 5-пленка углерода; 6-объекты, сходные с тестируемыми; 7-тестируемы объект.

Основным элементом устройства НПВО является призма (1), на которую падает световой поток (2) под углом полного внутреннего отражения. На поверхности призмы находится металлическая пленка никеля (3), имеющая островковую структуру и содержащая в своем составе объекты, сходные с тестируемыми (6). На поверхность пленки (5) помещается образец суспензии, которая содержит тестируемые объекты (7).

При осаждении объекта (7) на пленку (5), происходит изменение интенсивности светового потока, падающего на приемник (4), что позволяет регистрировать данный объект в суспензии.

Схема установки показана на рисунке 2. Лазер на парах меди (1) с излучателем типа ИЛГИ-101 служит для оптической накачки лазера ЛЖИ-504 (2) на растворе родамина 6Ж. Выбор ЛЖИ-504 в качестве источника света обусловлен тем, что он позволяет непрерывно изменять длину волны лазерного излучения в выбранном диапазоне длин волн 560-595 нм.

Далее излучение лазера попадает на призму установки КРС- установки МНПВО-1 (3), с помощью которой проводятся исследования. С призмы установки лазерный луч попадает на преобразователь (4), который включает в себя фотоприемник для преобразования светового сигнала в электрический, усилитель и АЦП. С АЦП сигнал попадает на ЭВМ (5) для дальнейшего графического отображения и анализа.

1-лазер на парах меди; 2-лазер на красителе; 3-установка НПВО;

4-преобразователь; 5-ЭВМ.

Таким образом, была создана установка для проведения резонансной спектроскопии, в основу которой положена методика улавливания объектов с помощью селективной мембраны и регистрации их с помощью метода НПВО.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВЫСОКОКОЭРЦИТИВНЫХ МАГНИТНЫХ

МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛУРГИИ

Работа выполнена под руководством к. т. н., проф. Брусенцова Ю. А.

Постоянные магниты имеют огромное значение для промышленности. Они широко используются в разных отраслях науки и техники. С каждым годом требуются всё более новые материалы с новыми более качественными свойствами.

Значительную часть магнитотвёрдых материалов в настоящее время изготавливают из сплавов на основе Fe–Ni–Al. Часто эти сплавы дополнительно легируют кобальтом и медью, а также титаном, ниобием, серой и другими элементами. Это, а также различные способы термообработки необходимы для создания в материалах магнитных частиц определённой формы и направленности. Размеры этих частиц имеют определяющее значение для магнитных свойств материалов. Последнее время всё чаще можно услышать о материалах с магнитными наночастицами. Свойства таких материалов по сравнению с материалами, в которых магнитные частицы имеют микроразмеры, сильно отличаются. Одной из главных причин изменения физических и химических свойств малых частиц по мере уменьшения их размеров является рост относительной доли «поверхностных» атомов, находящихся в иных условиях (координационное число, симметрия локального окружения и т.п.), нежели атомы внутри объемной фазы. С энергетической точки зрения уменьшение размеров частицы приводит к возрастанию роли поверхностной энергии.

В настоящее время известно, что в наночастицах намагниченность на атом и магнитная анизотропия может быть заметно больше, чем в массивном образце, а отличия в температурах Кюри и Нееля могут составить сотни градусов. Иными словами, меняя размеры, форму, состав, строение наночастиц можно в определенных пределах управлять магнитными характеристиками материалов на их основе. Все это позволяет надеяться на использование материалов, содержащих наночастицы, в перспективных системах записи и хранения информации, для создания новых постоянных магнитов, в системах магнитного охлаждения, в качестве магнитных сенсоров и т.п.

Существует несколько методов получения наночастиц в материалах:

1. Из компактных материалов того же (или иного) состава путем диспергирования различными методами.

2. Из химических соединений путем направленного изменения их состава с последующей остановкой (теми или иными методами) роста новой фазы на стадии наноразмеров.

3. Превращением наночастиц одного состава в наночастицы другого состава.

В настоящее время разработан ряд общих методов получения наночастиц; большинство из них могут быть использованы для получения магнитных наночастиц. Имеются, однако, достаточно существенные особенности; их можно сформулировать в виде требований к технологии синтеза магнитных наночастиц. Необходимо получать частицы заданного размера и формы, во всяком случае, разброс по размерам должен быть небольшим (5-10%) и поддающимся контролю. Для получения магнитных наночастиц большое значение имеет контроль формы частиц и возможность синтеза анизотропных частиц несферической формы. Для того, чтобы исключить (или существенно уменьшить) межчастичные взаимодействия, во многих случаях магнитные наночастицы необходимо включать в немагнитные матрицы. Важно также иметь возможность менять расстояния между частицами в матрице. Методика синтеза должна быть относительно простой, недорогостоящей, дающей воспроизводимые результаты. Для магнитных материалов часто необходимо получать наночастицы сложного состава, такие как разнообразные ферриты, сложные сплавы NdFeB, SmCo5 и т.п. В этих случаях набор пригодных методов значительно сужается. Например, при термическом испарении таких сложных составов в паровой фазе нарушается стехиометрия, идет образование других составов. При синтезе из атомных пучков не удается сохранить гомогенное распределение столь разных элементов. Механохимические методы диспергирования порошков нарушают, иногда очень существенно, фазовый состав. Для ферритов во всех этих случаях также не сохраняется кислородная стехиометрия. И, наконец, получение из гетерометаллических предшественников встречает трудности, связанные с их синтезом; например, невозможно получить прекурсор, в котором один атом Sm был бы связан с пятью атомами Со, химия позволяет синтезировать лишь Sm[Co(CO)4]3, где соотношение элементов 1:3. Трудно представить формулу прекурсора, из которого можно было бы получить наночастицы состава NdFeB.

К сожалению, большинство известных на сегодняшний день методов позволяют получать наночастицы с широким распределением по размерам; тщательный контроль параметров реакции, таких как время, температура процесса, скорость перемешивания, концентрация реагентов и стабилизирующих добавок позволяют сузить распределение по размерам получающихся наночастиц, но не всегда до нужных размеров. Известно, что большинство физических характеристик наночастиц существенно зависят от размера частиц. Поэтому, наряду с созданием методов синтеза наночастиц с узким распределенем по размерам были предприняты попытки разработать приемы разделения уже полученных наночастиц на достаточно монодисперсные фракции. Чаще всего для этих целей используют контролируемое высаживание из раствора стабилизированных ПАВами наночастиц с последующим центрифугированием; первой осаждается наиболее крупная фракция; после деконтации осадок может быть заново растворен и оба раствора – вновь полученный и оставшийся после деконтации – могут быть повторно подвергнуты операциям осаждения и центрифугирования. Процесс повторяют до получения фракций с нужным размером частиц и распределением по размерам.

Для создания магнитных материалов на основе наночастиц часто необходимо их внедрение в химически инертную, немагнитную основу матрицу, которая оказывала бы незначительное влияние на магнитные свойства изолированных друг от друга наночастиц.

Методы получения наночастиц нельзя отделять от методов их стабилизации. Для частиц наноразмеров (1-30 нм) из-за их высокой поверхностной энергии не существует инертной среды – в любой среде, на поверхности отдельно взятой наночастицы всегда имеются продукты взаимодействия со средой, оказывающие существенное влияние на свойства наночастиц. Это особенно важно для магнитных наночастиц, поскольку продукты поверхностного окисления могут иметь иные магнитные характеристики, чем ядро частицы.

Одним из перспективных методов получения постоянных магнитов можно считать порошковую металлургию, которая позволяет получать изделия практически без припусков на обработку и обеспечить высокие магнитные характеристики. Рассмотрим её подробнее.

Основная технология получения магнитов методом порошковой металлургии, заключается в приготовлении шихты из порошков чистых компонентов с последующим прессованием и спеканием.

Определяющую роль в формировании свойств порошковых магнитов играет спекание. Для протекания высококоэрцитивного распада твёрдого раствора АЛНИКО необходим высокий уровень физической и химической однородности спечённого сплава. Постоянные магниты отличаются сложностью состава. При спекании таких многокомпонентных систем могут наблюдаться как усадка, уплотнение материала, так и увеличение пористости за счёт нескомпенсированности встречных диффузионных потоков.

За спеканием следует термическая обработка. Она состоит из закалки, ТМО и последующего многоступенчатого отпуска. Основными фазами при распаде являются:

-фаза, имеющая ОЦК решётку, -фаза с ГЦК решёткой и -фаза, выделяющаяся в виде однодоменных частиц при ТМО из -фазы. Критическая температура закалки находится ниже температуры плавления сплава, но выше температурной границы + области. При нагревании сплава до этой температуры он перейдёт в однофазное -состояние.

Наиболее ответственным этапом при формировании магнитных свойств является термомагнитная обработка. При этом скорость охлаждения в нижнем температурном интервале (область + превращения) должна быть такой, чтобы в присутствии магнитного поля выделилось максимальное число частиц -фазы, но не прошла их коагуляция.

Термомагнитная обработка имеет смысл только в том случае, если точка Кюри сплава находится выше температуры высококоэрцитивного + распада.

Максимальные магнитные свойства после всех видов термообработки можно получить только в том случае, если ТМО проведена в узком интервале скоростей охлаждения. При малых скоростях образуется ограниченное число центров выделения -фазы, имеющих высокую анизотропию формы. Поэтому оптимальной является скорость, при которой выделяется достаточно большое количество частиц -фазы, имеющих одновременно и высокую степень анизотропии формы. Оптимальная скорость охлаждения зависит также и от химического состава.

Заключительным этапом термообработки является отпуск. Он проводится для реализации дораспада, так как высококоэрцитивное превращение + не идёт до конца. В результате этого происходит значительное увеличение коэрцитивной силы и магнитной энергии. Однако, увеличение продолжительности отпуска может привести к снижению коэрцитивной силы за счёт коагуляции -фазы.

Усовершенствование этой методики приведёт к появлению материалов с новыми, более высокими качественными свойствами.

1. А. А. Преображенский. Магнитные материалы и элементы. М.:

Высшая школа. 1976. 336с.

2. Я. М. Довгалевский. Легирование и термическая обработка магнитотвёрдых сплавов. М.: Металлургия. 1971. 176с.

3. Д. Д. Мишин. Магнитные материалы. М.: Высшая школа. 1981.

335с.

ДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД

ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Работа выполнена под руководством к. т. н., доц. Баршутина С. Н.

В настоящее время быстрое развитие науки, позволяет внедрять в производство (промышленность) новые методы измерения и контроля.

Эти методы основаны на открытых в последнее время физикохимических законах, позволяющих более точно определять исследуемые характеристики веществ.

Важным элементом при разработке новых методов измерения являются первичные преобразователи, базирующиеся на новых материалах.

Создание таких материалов требует точного контроля их состава и внутренней структуры. Контроль и соблюдение состава материала, позволяет добиться необходимых для измерения свойств.

Из всего многообразия методов контроля необходимо найти такой, который как можно с меньшими затратами и с наибольшей точностью будет определять этот состав.

В нашем случае был выбран материал, состоящий из оксида марганца с включением некоторых лигандов. В качестве лиганда может выступать любой из следующего ряда Li, Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Pb, Bi.

Изменение количества лиганда можно варьировать свойствами конечного материала.

Контролирование катионного состава компонентов осуществляют по химическим методикам количественного определения состава образцов. Методики основаны на титровании определяемых элементов с визуальной и амперометрической индикацией точки эквивалентности.

Для каждого элемента подбирают титрующий раствор, который добавляют в раствор исследуемого компонента. Если компонент не растворим в воде, то его переводят в растворимое состояния путем реакции с кислотой или щелочью. Затем по известному количеству прореагировавшего титранта определяется количество элемента в компоненте. Подбор титрующего раствора ведут так, чтобы реакция титрования была строго стехиометричной, протекала быстро и количественно, а также должен существовать способ фиксирования точки эквивалентности.

Экспериментально конец титрования устанавливают по изменению цвета индикатора или какого-либо физико-химического свойства раствора.

Таким образом, была разработана методика разновалентного марганца, никеля, меди, железа в исходных порошках химическим методом.

В методике используются приведенные ниже реактивы: солянная кислота, концентрированная, 1:1; пероксид водорода, 3%-ный водный раствор; трилон Б, 0,05М стандартный раствор; аммоний хлорид, 30 % ный раствор; диметилглиоксим, 1 % - ный аммиачный раствор; цинк сульфат, 0,05 М раствор; буферный раствор: растворяется 15,4 г хлорида аммония в 350 мл 25 % - ого раствора аммиака и после отстаивания фильтруется; смесь кислот: к 200 мл дистиллированной воды тонкой струйкой приливают при помешивании 40 мл серной кислоты удельного веса 1,84, после охлаждения раствора к нему приливают 45 мл ортофосфорной кислоты удельного веса 1,7 и 95 мл азотной кислоты удельного веса 1,4 тщательно перемешивается и остужается; серноватокислый натрий (тиосульфат), 0,01 М стандартный раствор: 2,5 г реактива растворяют в 100 мл предварительно прокипяченной и охлажденной воды, содержащей не более 0,1 г карбоната натрия, раствор переливается в мерную колбу емкостью 1000 мл, доливается водой до метки, тщательно перемешивается и оставляется в течении 8-10 дней; промывная жидкость: 1 М раствор серной кислоты, содержащей 1 % суьфата аммония; сульфат церия (IV), 0,005 М раствор в 0,5 М серной кислоте; ацетатный буфер: