Сб. тезисов Наукоемкие технологии 20 марта 2014

МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения»

НАУКОЕМКИЕ

ТЕХНОЛОГИИ

Сборник научных статей по материалам межвузовской научно-практической конференции

Санкт-Петербург

2014

Обращение к авторам

С начала ХХI века произошла целая серия технологических и фундаментальных открытий в области микро- и наноэлектроники, радиофизики, оптоэлектроники и лазерной техники, химии и катализа, современного материаловедения – появились «умные материалы», произошло бурное развитие информационных технологий. Достигнутые значимые результаты в науке породили развитие наукоемких технологий и, как следствие, наукоемких продуктов – основу развития современной экономики.

Научно-технический прогресс ХХI века приобрел новое качество, заключающееся во взаимодействии науки, техники и производства и приведшее к значительному ускорению внедрения научных знаний. Фактически возникла конкуренция между научным знанием и техническим совершенствованием производства, стало экономически более выгодным развивать производство именно на базе новых научных идей, нежели на базе существующей техники. В результате, изменилось взаимодействие науки и производства: если раньше техника и производство развивались вследствие накопления эмпирического опыта, то теперь они развиваются в результате развития наукоемких технологий, использующих достижения фундаментальных и прикладных наук.

Наукоемкие технологии представляют собой интегрированные потоки знаний, связанных и обогащающих друг друга. Для них характерны распространение одной и той же научно-технической идеи в другие отрасли, адаптация новых методов и продуктов для других сфер, создание новых сфер применения процессов и принципов, формирование новых секторов рынка, что приводит к мировой технологической кооперации, межстрановому технологическому трансферу, созданию территориальных научнопромышленных комплексов. Можно сказать, наукоемкие технологии в настоящее время становятся базой развития мировой экономики.

И в ваших руках, руках молодых ученых России, сейчас ее будущее: будущее вас самих и ваших детей. Занимаясь научными исследованиями, разрабатывая технологии новых веществ и материалов, внедряя инновации в производство, неважно в какой конкретно сфере – химической технологии, экологии и ресурсосбережении, безопасности жизнедеятельности, медиаиндустрии, – вы сегодня закладываете фундамент инновационной экономики завтрашнего дня, экономической независимости и развития России.

Профессор, доктор технических наук академик Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы

Олег Эдуардович Бабкин

3

УДК 614.841.1

ВЛИЯНИЕ РЕАГЕНТНОЙ И БЕЗРЕАГЕНТНОЙ МОДИФИКАЦИИ КЕРОСИНОВ НА ТЕМПЕРАТУРУ ИХ ВСПЫШКИ

А.Н. Емельянова

Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

Аннотация. Показано, что при модификации углеродными наночастицами и при воздействии переменного частотно-модулированного потенциала происходит повышение показателей пожарной опасности горючих жидкостей.

Ключевые слова: керосин, углеродные нанотрубки, температура вспышки, переменный частотно-модулированный потенциал.

Обеспечение пожарной безопасности при обращении с нефтепродуктами является неотъемлемой функцией государства. Основная причина пожаров и взрывов на предприятиях нефтепромышленности заключается в неправильном обращении с нефтепродуктами. При прогнозировании вероятности возникновения и развития пожара необходимо учитывать пожаро- и взрывоопасные свойства обращающихся веществ и материалов, которые характеризуют способность веществ воспламеняться и гореть, образовывать с воздухом взрывоопасные смеси в условиях их производства, переработки, транспортировки и хранения.

Нефтепродукты, в частности авиационные и автомобильные бензины, характеризуются взрыво- и пожароопасностью. Для предотвращения развития пожаров необходимо не только исключить возможность образования горючей среды и источников зажигания в ней, но также соблюдать требования нормативных документов при обращении с нефтепродуктами. Кроме того, весьма заманчивы попытки изменить их эксплуатационные свойства, в частности показатели пожарной опасности. Такое изменение возможно благодаря реагентным и безреагентным методам.

Реагентный метод предполагает использование модифицирующих веществ, т.е. веществ, введение которых приводит к изменению физикохимических свойств исследуемых жидкостей.

Поскольку в настоящее время большое внимание уделяется развитию нанотехнологий, представляется возможным использование наночастиц для снижения пожарной опасности веществ и материалов. В сфере пожарной безопасности предлагается использовать наноматериалы для

4

создания огнетушащих веществ, защитной одежды спасателей и пожарных

[1].

Пожарная опасность горючих жидкостей характеризуется группой горючести, температурой вспышки, температурой самовоспламенения, концентрационными и температурными пределами распространения пламени.

В Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России исследовали влияние модифицирующих веществ на температуру вспышки моторных топлив.

Вкачестве исследуемой жидкости был выбран керосин марок ТС-1

иКО-25. Модифицирующими веществами являлись углеродные нанотрубки (УНТ), представляющие собой протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей [2]. Эта форма углерода по своей структуре занимает промежуточное положение между графитом и фуллереном. Однако многие свойства углеродных нанотрубок не имеют ничего общего ни с графитом, ни с фуллереном. Это позволяет рассматривать и исследовать нанотрубки как самостоятельный материал, обладающий уникальными физико-химическими характеристиками.

Сущность экспериментального определения температуры вспышки заключается в нагревании определенной массы вещества в закрытом тигле по Пенски-Мартенсу, с заданной скоростью, при периодическом зажигании выделяющихся паров и установлении факта наличия или отсутствия вспышки при фиксируемой температуре [3].

УНТ были получены методом каталитического пиролиза углеводородов [4]. Растворение УНТ в керосине проводилось с помощью ультразвука с частотой 100 кГц.

Для генерации переменного частотно-модулированного потенциала (ПЧМП) использовали генератор, изготовленный на экспериментальноопытном заводе при Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (Техническом университете) согласно ТУ 4218-001- 56316494-2004 [5].

Проведенные исследования показали, что при введении в керосин углеродных нанотрубок происходит повышение температуры вспышки образцов [4]. Полученные результаты представлены на рис.1, 2.

Из графиков видно, что с увеличением концентрации углеродных нанотрубок происходит повышение температуры вспышки. Наблюдаемый эффект может быть объяснен изменением скорости испарения жидкостей, что, в свою очередь, приводит к увеличению времени и температуры образования концентрации паров жидкости, достаточной для ее воспламенения.

5

В настоящее время эти исследования не закончены – не изучено воздействие углеродных нанотрубок на эксплуатационные свойства авиационных топлив, что, несомненно, требует дальнейших экспериментов. Планируется провести исследования по влиянию углеродных наночастиц на остальные показатели пожарной опасности горючих жидкостей.

Литература

1.Копылов С.Н., Баратов А.Н., Казаков А.В., Бухтояров Д.В., Щур И.А. Нанотехнологии и пожарная безопасность // Пожарная безопасность. 2011. № 3. URL: http://www.pb.informost.ru/jurnals/3-2011.php

2.ГОСТ 12.1.044-89 ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.

3.Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения: Справочник: В 2-х ч. – 2-е изд., перераб. и доп.// М.: Пожнаука, 2004. Ч.1. 713 с.

4.Иванов А.В., Ивахнюк Г.К., Емельянова А.Н. Исследование влияния углеродных нанотрубок на температуру вспышки керосина в условиях воздействия переменного частотно-модулированного потенциала// Проблемы управления рисками в техносфере. 2013. Вып. №3 (27). С.53-57.

5.Иванов А.В. Снижение пожарной опасности процессов пневмотранспорта и диспергирования твердых материалов путем нейтрализации статического электричества: Автореф. дис. … канд. техн. наук: специальность 05.26.03 – Пожар. и пром. безопасность. СПб. ун-т Гос. противопожар. службы. – СПб, 2006. 22 с.

7

УДК 621.794:541.67

ПОЛИМЕРНО-НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ С УЛУЧШЕННОЙ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ

Е.С. Васина, С.В. Мякин, М.М. Сычев

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет)

Аннотация. Изучено влияние химического модифицирования субмикронного титаната бария шунгитовым наноуглеродом на диэлектрические свойства композитов, получаемых путем его введения в

состав цианэтилового эфира поливинилового спирта. Установлено, что модифицирование наполнителя позволяет варьировать диэлектрическую проницаемость в широких пределах посредством регулирования межфазных взаимодействий в системе за счет изменения содержания активных центров с рКа=12,8 на поверхности титана бария, соответствующих основным гидроксильным группам (бренстедовским центрам), способным к взаимодействию со слабокислыми гидроксильными группами в составе ЦЭПС. Показано, что полученные результаты хорошо аппроксимируются модифицированным уравнением Лихтенеккера, описывающим межфазные взаимодействия в композитах. Показано также, что тангенс угла диэлектрических потерь исследуемых композитов коррелирует с содержанием поверхностных центров с рКа=2,5.

Ключевые слова: диэлектрические полимерно-неорганические композиты, титанат бария, модифицирование, центры адсорбции на поверхности, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь.

Полимерно-неорганические композиционные материалы с высокой диэлектрической проницаемостью (ε) являются необходимыми для создания защитных диэлектрических слоев в составе конденсаторов, дисплеев, электролюминесцентных источников света и других электронных устройств благодаря сочетанию свойств полимера с функциональными свойствами наполнителя. В настоящее время в качестве таких материалов применяют композиты на основе сегнетоэлектрического наполнителя титаната бария, обладающего одним из наивысших значений среди неорганических материалов (~ 4400) и цианэтилового эфира поливинилового спирта (ЦЭПС) в качестве полимерной матрицы с одним из наиболее высоких

8

значений диэлектрической проницаемости среди полимерных материалов

(~ 19).

Для создания полимерного композита с улучшенными свойствами важным моментом является улучшение взаимодействия в системе матри- ца-наполнитель. В связи с этим возможным эффективным подходом к улучшению диэлектрических характеристик композиционных материалов является управление функциональным составом поверхности дисперсного наполнителя для обеспечения лучшей совместимости компонентов. В последнее время особое внимание уделяется кислотно-основным взаимодействиям и их роли в образовании межфазных связей, поскольку диэлектрические свойства композита, представляющего собой конденсатор с последовательным соединением различных материалов, определяются не только диэлектрическими свойствами его компонентов, но и их совместимостью, т.е. способностью к взаимодействию друг с другом с образованием системы связей и однородного по составу и структуре материала.

В ранее выполненном нами исследовании [1-3] было показано, что модифицирование поверхностного слоя BaTiO3 нанесением слоя оксида кремния приводит к существенному повышению диэлектрической проницаемости соответствующих композитов за счет формирования определенных функциональных групп, способствующих усилению взаимодействия между наполнителем и матрицей ЦЭПС. В данной статье поверхность модиицировали структурирующей добавкой – наночастицами шунгитового углерода. Как известно из литературных данных, углеродные наночастицы и нановолокна вызывают повышенное внимание в связи с перспективами их применения в различных областях науки и техники. Введение в композит проводящих частиц приводит к росту диэлектрической постоянной материала.

Титанат бария марки HPBT-1B производства Fuji Titanium (Япония)

сразмером частиц 300-400 нм и диэлектрической проницаемостью 4400 модифицировали формированием на его поверхности слоев углеродных наночастиц. Осаждение указанных слоев осуществляли из устойчивой водной дисперсии наночастиц шунгитового углерода (ШУ) согласно методике, подробно рассмотренной в [4]. Для синтеза использовали дисперсии

сконцентрацией ШУ 0,012 и 0,144 мг/л в количестве 50 мл, которыми обрабатывали титанат бария. Порошок BaTiO3 заливали дисперсией, выдерживали в течение суток при периодическом перемешивании, после чего конденсировали на воздухе до полного испарения воды.

Функциональный состав поверхности образцов модифицированного BaTiO3 исследовали методом адсорбции кислотно-основных индикаторов с различными значениями рКа в интервале от –4,4 до 14,2, которые селективно сорбируются на поверхностных функциональных группах с соответствующими значениями рКа. Содержание соответствующих центров адсорбции определяли по изменению оптической плотности

9

стандартных растворов индикаторов с использованием спектрофотометра СФ-46 (ЛОМО, Санкт-Петербург).

В соответствии с оптимизированной по данным ранее проведенных исследований [5, 6] методикой полученные наполнители диспергировали в 5 мл 30 мас.%-го раствора ЦЭПС 34 (производства АО «Пластполимер», Санкт-Петербург, 19) в диметилформамиде в расчетном количестве, соответствующем концентрации наполнителя 40 об.% в сухом композите. Затем полученные образцы перемешивали в стеклянных емкостях на вращающихся валках в течение 2 ч.

Толщина слоев композитов после высушивания в вакууме составила около 100 мкм. Затем на поверхность исследуемых слоев были нанесены контакты из галлий-индиевой эвтектики и при помощи дополнительных электродов измерены значения тангенса угла диэлектрических потерь и емкости с применением измерителя иммитанса E7-20 при температуре T=291K, на основании которых рассчитаны значения диэлектрической проницаемости.

Полученные результаты, приведенные в табл. 1, показывают, что осаждение слоя углеродных наночастиц оказывает значительное влияние на диэлектрические свойства исследуемых композитов.

Таблица 1 – Диэлектрические свойства и состав поверхности исследуемых композитов

Диэлектрическая проницаемость исследуемых композитов, измеренная в интервале частот от 25 Гц до 1 МГц, представлена на рис.1. С увеличением частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость закономерно снижается, особенно в области низких частот. С ростом частоты значение tgδ для образцов уменьшается, достигая минимума на частоте 10 кГц. При дальнейшем росте частоты поля происходит увеличение значений тангенса угла диэлектрических потерь.

10