facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ НА ВОЛОКНИСТОЙ ОСНОВЕ

Автор Доклада: 
Изгородин А. К.
Награда: 
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ НА ВОЛОКНИСТОЙ ОСНОВЕ

УДК 678.067

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОКОМПОЗИТЫ НА ВОЛОКНИСТОЙ ОСНОВЕ

Изгородин Анатолий Кузьмич, проф., д-р техн. наук
Ивановской государственной текстильной академии

 

В статье рассматривается использование функциональных нанокомпозитов на волокнистой основе для защиты различных систем организма человека при воздействии вредных факторов, особенно в экстремальных условиях. Для формирования композитов исследована поровая структура волокнистой основы, технология диспергирования ферромагнитного компонента и иммобилизации его в волокнистую основу. Показано, что использование полученных магнитных тканей повышает адаптационно-регенерационные возможности организма человека в условиях, приближенных к условиям работы пожарного.
Ключевые слова: адаптация, возраст биологический, волна, диспергирование, защита, иммобилизация, нанокомпозит, нерв, плазма, пора, теплофизика, феррит.

In this paper the methods are discussed to obtain functional magnetic nano-composite fibrous materials intended to protect different systems of a human organism subjected to the influence of harmful factors, especially in the extreme conditions. In order to produce new composite materials investigation has been made of the porous structure of the fibrous base, technology of ferromagnetic component dispersion and immobilization of this component into the fibrous base. It has been shown that application of the magnetic fabrics obtained, makes it possible to improve adaptive and regenerative capabilities of a human organism in the conditions similar to those experienced by fire fighters.
Key words: adaptation, biological age, wave, dispersion, protection, immobilization, nanocomposite, nerve, plasma, pore, thermal physics, ferrite.

Наноразмерные объекты в сравнении с макроскопическими обладают повышенными или новыми химическими и физическими свойствами [1,2]. Обусловлено это рядом факторов, например: появлением вырожденных энергетических уровней, заполнение которых определяется размером и формой частиц; возрастанием релаксационных явлений в зоне поверхности атомов; изменением: электронной структуры точечных дефектов, термодинамических параметров, фазовых превращений; сдвигом фононного спектра в область коротких волн.

Структурно-энергетические изменения на атомном и наноуровнях в наноструктурных образованиях обуславливают существенные изменения процессов синтеза нанокомпозитов на полимерной основе и физико-химических свойств получаемых композитов. Полимерная матрица является эффективным стабилизатором наночастиц. К настоящему времени получено много видов полимерных композитов и нанокомпозитов, различного функционального назначения (табл. 1).

Один из самых приоритетных видов функционального назначения композитов и нанокомпозитов – защита и лечение человека. Актуальность таких композитов связана с тем, что в настоящее время люди на рабочем месте, на улице и дома находятся под воздействием вредных для здоровья электромагнитного излучения, акустических волн (шума), вибраций. Кроме этого, работники МЧС, силовых структур, космонавты, полярники и другие могут находиться в стрессовой ситуации. При подготовке к выполнению работ в экстремальных условиях, в ходе выполнения таких работ, а также в период адаптации после выполнения работ необходимо активировать адаптационно-регенерационные функции всех систем организма человека и, в первую очередь, нервной, сердечнососудистой, кровеносной, эндокринной.

Для этих целей, как это следует из многочисленных исследований биологов и работников медицины, целесообразно использование магнитного поля индукцией 10÷70 мТл.

Таблица 1

Функциональные и интеллектуальные материалы на полимерной основе

Виды полимерного композита

Функциональное назначение

Пъезоэлектрические магнитострикционные, электретные, ферромагнитные, магнитооптические

Сенсоры и микросенсоры для контроля различных внешних воздействий и изменений в материале. Магнитосенсорные системы

Полимерные оптические пленки и волокна

Носители информации, оптические волокна

Полиизопропен с активными группами, полисилоксаны, резисторные полиамиды

Микроэлектроника, микропроцессоры

Магнитомягкие и магнитотвердые материалы, бронематериалы, сотопласты, шумовибропласты

Магнитерапия. Защита от воздействий различной природы

Полимеры с собственной электропроводностью

Молекулярная электроника

Необходимость защиты от электромагнитного излучения, среды при повышенных и пониженных температурах, теплового потока, твердых поверхностей нагретых до высоких температур или охлажденных до низких температур и от некоторых других воздействий, сопряженных и перечисленными выше, достаточно хорошо осознана и в этом направлении проводятся работы. Защите же от действия некоторых факторов, например шума и вибраций не уделяется должного внимания. Между тем акустические и механические волны при вибрации могут оказывать значимое вредное воздействие на человека. Механические волны – акустические и вибрационные проникают в организм человека как через слуховой аппарат, так и через кожу, а также опорный скелет. Эти воздействия могут обусловить сотрясение всего тела человека, нарушения в центральной нервной системе, термозные явления в коре головного мозга, снижение умственной работоспособности, сбои в обменных процессах и т.д. Особенно опасны акустические воздействия на длинных волнах, частота которых близка к частоте собственных колебаний органов человека, что обуславливает резонансные колебания соответствующих органов, например печени.

В настоящее время реализуется, в основном, следующий принцип: защитить, главным образом, поверхностную зону человека, обеспечив отражение, поглощение, рассеяние полей или частиц, оказывающих отрицательное воздействие на него.

В данной работе предлагается следующий принцип: защитить поверхностные зоны человека от вредных внешних воздействий, а также обеспечить защиту всех систем человека, в первую очередь нервной, активируя их адаптационно-регенерационные функции посредством воздействия постоянного магнитного поля.

Для реализации защиты человека, как видно из представленных выше сведений, необходимы многофункциональные защитные элементы. Например, пожарного нужно защищать от воздействия теплофизических факторов: теплового потока, пламени, среды при повышенной температуре и раскаленных твердых поверхностей – до 400ºС; проникновения жидких сред к поверхности его тела, а также активировать защитные функции его организма посредством магнитного поля. Действие теплофизических факторов можно нейтрализовать, изготовив защитный костюм из арамидных или аримидных волокон, выдерживающих до 500ºС. Проникновение жидких сред можно предотвратить, покрыв материал верха защитного костюма с внутренней стороны водонепроницаемой пленкой. Для создания же магнитного поля необходим магнитный материал, который, создавая магнитное поле, является гибким, эластичным, прочным. Из существующих магнитных материалов наиболее гибкие и эластичные – магниты на резиновой (каучуковой) основе. Однако они по гибкости и эластичности существенно уступают ткани, они не принимают форму тела человека в необходимых зонах. Кроме этого, резинотехническим изделиям характерны неприятный запах и токсичность. Наиболее приемлемой являются магнитная ткань, которая, создавая около поверхности тела магнитное поле индукцией 10÷70 мТл, сохраняет гибкость, эластичность, прочность, трещиностойкость и швейную технологичность характерные для ткани [3].

Создание композита и нанокомпозита с использованием в качестве основы ткани сопряжено с необходимостью решения ряда инженерных и научных задач: выявление поровой структуры волокнистого материала; разработка технологии получения частиц функционального наполнителя, дисперсный состав которых согласуется с распределением по размером пор в волокнистой основе – ткани; анализ процессов тепломассопереноса в капиллярно-пористой волокнистой основе; компонентный состав и параметры технологии получения металлополимерной композиции в ткани, а также введения функциональных композитов в волокнистую основу – это в случае реализации метода иммобилизации. При реализации экстракционно-пиролитического метода получения магнитной ткани нужны научные обоснования процессов: получение водных растворов неорганических солей, содержащих компоненты магнитного материала, экстракция компонентов магнитного материала и смешивание их, получение прекурсора, термическое разложение экстрактов и синтез магнитного материала в ткани. В случае использования экстракционно-пиролитического метода для формирования магнитной ткани волокнистая основа должна быть получена из термостойкого материала.

Капиллярно-поровая структура ткани состоит из образований разного уровня: молекулярного, надмолекулярного, микро и макро уровней. На молекулярном уровне поры размером (10÷20)  в волокнах могут быть результатом термофлуктуационных процессов с участием звеньев макромолекул, между микрофибриллами возникают поры размером (30÷50)  , а между фибриллами - 100÷150  , в ходе роста натуральных волокон и формирования химических возникают морфологические поры размером до 1 мкм. Микропоры размером до 2,5 мкм возникают в зонах соприкосновения волокон в пряже и нитей в ткани.Объем пор V и их размер d находят по изменению влагосодержания волокнистого материала Wi в ходе его увлажнения и сушки [4].

             (1)

где: W0 – влагосодержание, обусловленное мномолекулярной адсорбцией;

 

dэфф – эффективный диаметр молекул воды. (dэфф = 3,4?10-10 м).

Исходя из принципа Онзагера, А.В. Лыковым и Ю.А. Михайловым были получены для описания процессов тепломассопереноса уравнения [5]:

где: Т и Р – температура и давление окружающей среды;

aCpC – температуропроводность, теплоемкость и удельная теплоемкость влажного тела,

 - термоградиентный и фазового превращения коэффициенты;

D,  - коэффициенты диффузии, массообмена и молекулярного переноса газа;

ρ и r – плотность материала и теплота испарения воды.

Учитывая, что уравнения 2 должны быть дополнены граничными условиями, а входящие в него коэффициенты являются не константами, а функциями, влагосодержания и температуры, то использование их для проведения количественных расчетов практически невозможно. При расчете пористости волокнистого материала в данной работе были приняты упрощения: изменение внешнего давления Р в нашем случае равно нулю; влага в волокнистом материале находится в виде жидкости, следовательно и равны нулю; по данным изменения W и T были установлены интервалы в пределах которых механизмы взаимодействия влаги с волокнистым материалом остаются неизменными и, следовательно, в этих интервалах уравнения (2) можно упростить. Временная зависимость W и Т была получена в виде [6]:

Для учета неравновестности волокна, изменения коэффициентов 

 у волокон с разным влагосодержанием представили волокно в виде совокупности ячеек маленького размера, в пределах которых при переходе от одной ячейки к другой указанные выше коэффициенты изменяются пропорционально W. Размеры ячеек определяются двумя факторами: шагом по времени, который взят равным 0,5 мс, и расстоянием при углублении в материал, которое взято равным 1 мкм. В соответствии с данными термодинамики для неравновесных процессов нелинейные дифференциальные уравнения термомассопереноса преобразованы в нелинейные алгебраические уравнения и решены с использованием соответствующих программ.

Используя полученные решения и экспериментально определенное изменения влагосодержания волокон хлопчатника и арамидных волокон, а также тканей из этих волокон, было получено процентное содержание пор в арамидных волокнах и хлопке, а также тканях из них. Данные представлены в таблице 2. Поры до 10 нм – это внутриволоконные поры молекулярного и надмолекулярного уровня. В хлопке этого вида пор примерно на 30% больше в сравнении с арамидными волокнами. Объем пор в тканях почти в десять раз больше в сравнении с волокнами, что свидетельствует о большом количестве межволокнистых и межниточных пор. Размер этих пор достигает 2,5 мкм и выше (табл. 2).

Таблица 2

Характеристики поровой структуры арамидных волокон, хлопка и тканей из них

Вид материала

Размеры пор, нм / Доля пор данного размера, %

Общий объем пор в материале см3

Арамидные волокна

0,5÷1,2

1,2÷3

3÷5

5÷7

7÷10

25÷150

150÷

400

400÷

750

750÷

2500

0,12

19,8

24,5

26,1

19,6

10,0

0

0

0

0

Арамидная ткань

0,6÷1,2

1,2÷3

3÷5

5÷7

7÷10

25÷150

150÷

400

400÷

850

850÷

2000

1,1

6,5

7,8

6,8

5,5

4,1

10,0

5,2

39,6

14,5

Хлопок

0,4÷1,1

1,2÷3,4

3,5÷5

5÷7

7÷10

25÷150

150÷

400

400÷

750

750÷

2500

0,16

21,2

27,2

24,0

18,6

9,0

0

0

0

0

Хлопчатобумажная ткань

0,4÷1,2

1,2÷3,5

3,5÷5

5÷7

7÷10

25÷150

150÷

400

400÷

750

750÷

2500

1,32

5,1

5,5

7,5

5,6

2,6

18,6

12,0

29,6

13,5

Частицы функциональных компонентов, используемых для формирования композитов на волокнистой основе, должны быть измельчены или сформированы так, чтобы распределение их по размерам соответствовало распределению пор в волокнистой основе.

Формирование мелких частиц, в том числе наноразмерных, можно реализовать многочисленными физическими, химическими и физико-химическими методами. Основной недостаток этих методов – это невозможность получения большого количества диспергированного материла. Единственный метод, позволивший обеспечить уже в 2009 году мировое производство наночастиц объемом более 100 000 тонн в год – это механическое диспергирование [7]. При механическом диспергировании некоторых материалов нет необходимости в использовании инертных сред и других способов стабилизации наноразмерного состояния частиц.

В данной работе для получения магнитной ткани использован феррит стронция, являющийся высококоэрцитивным ферромагнетиком с высокими характеристиками магнитных свойств: коэрцитивная сила Нс – 250 кА/м, остаточная индукция Вr – 0,38 Тл, максимальное значение энергетического произведения (ВН)max – 28 кДж/м3. Однодоменное состояние частиц феррита стронция возникает при сравнительно больших размерах – до 500 Нм и более [8,9]. Механическое диспергирование исходного порошка феррита стронция с размерами частиц до 4000 Нм осуществлено на установке, в которой при угловой скорости около 1000 с-1 измельчение частиц реализуется в зоне трехступенчатого корпуса с отражательными плитами и трехступенчатого ротора с билами. Измельчение частиц порошка происходит при соударении их с отражательными плитами, билами ротора и межчастичных соударений. Скорость частиц на разных ступенях их измельчения составляет 70, 100 и 160 м/с. После однократного измельчения исходного порошка получаемый дисперсный состав частиц – штриховые линии на рисунке 1 не вполне коррелирует с поровой структурой волокнистой основы – арамидных и хлопчатобумажных тканей (таблица 2). Повторное измельчение частиц феррита стронция позволило: повысить в два раза долю частиц размером до 5 нм, которые можно «разместить» во внутриволоконных порах волокон; увеличить на 10 % долю частиц размером 5÷40 Нм, которые располагаются не только в межниточных, но и межволоконных порах, а также снизить на 10 % долю крупных частиц размером до 2500 нм, «закрепление» которых в волокнистой основе затруднительно (рис., табл. 2).

Рисунок. Распределение частиц феррита стронция по размерам после нервного полома (штриховые линии) и двукратного (сплошные линии)

Перед иммобилизацией в ткань порошка феррита стронция проведена двухступенчатая термомагнитная обработка диспергированного порошка, позволившая повысить его магнитные свойства, а также подготовлена металлополимерная композиция включающая бутилакрилат, акрилометил, глицерин, пластификатор, эмульгатор, поверхностно-активные вещества и порошок феррита стронция. Компонентный состав и процентное содержание их определено по следующим критериям: оптимальная вязкость и однородность композиции, возникновение физико-химических связей между компонентами композиции и волокнистой основой, возникновение магнитного поля, в окружающем ткань пространстве индукцией 10÷70 мТл. Активизация ткани перед процессом иммобилизации проведена в низкотемпературной плазме коронного разряда с созданием искусственного электрического ветра и установкой возмущающих электродов, что позволило, в сравнении с обработкой в низкотемпературной плазме низкого давления, уменьшить на два порядка энергозатраты и обеспечить необходимое активирование ткани.

Получены образцы магнитной ткани, создающие магнитное поле индукцией (10÷60) мТл. Эффективность использования магнитных тканей для активизации адаптационно-регенерационных функций организма человека проверена со специалистами по физиотерапии и вопросам медицины катастроф. При выполнении работ в условиях, приближенных к условиям работы пожарного, было установлено, что лицам, использовавшим защитные костюмы с магнитными тканями характерно более оптимальное распределение отдельных составляющих вегетативного обеспечения, повышенная устойчивость «индекса здоровья», пониженная величина показателя: «биологический возраст».

Литература:

  • 1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. М.К. Роко, Р.С. Уильямс и П. Аливисатос. Перевод с английского под редакцией Р.А. Андриевского. М.: Мир. 2002.
  • 2. Суздалев И.П. Многофункциональные наноматериалы // Успехи химии. 2009-78 (3), с. 284-301.
  • 3. Патент РФ №2284597 62. 28.12.2004 г. Высококоэрцитивная ткань. Автор Изгородин А.К.
  • 4. Луцик Р.В., Малкин Э.С., Абаржи И.И. Тепломассообмен при обработке текстильных материалов. Киев: институт теплофизики А.Н. Украины. 1993-344 с.
  • 5. Лыков А.В. Тепломассообмен (справочник)М.: Энергия, 1978.
  • 6. Семикин А.П. Разработка технологии переработки хлопка разной зрелости. Кандидатская диссертация. Иваново, Текстильная академия. 2004 г.
  • 7. Озерин А.Н. Нанопорошки в Российских нанотехнологиях // Российские нанотехнологии. 2009, - т.4, - №1,2, - с. 9-10.
  • 8. BSadehMDoiZ.UShiniM.JMatsin // Magn.SocJApplPhys. 2000, 24, 511.
  • 9. RSconski //Phys.Matter. 2003, 15, 841.
4.66667
Ваша оценка: Нет Средняя: 4.7 (3 голоса)

Статья носит "пилотный"характер

Статья является как-бы"пилотной" и этим способствует полемике..Ввиду неординарности темы данную статью,на мой взгляд, лучше разбить на несколько работ и каждую тщательно проработать в целях уменьшения неточностей.С самого начала доклада какие-то недоговоренности,например, "Наноразмерные объекты в сравнении с макроскопическими обладают повышенными или новыми химическими и физическими свойствами "....Что за определение-повышенные свойства?Да,полимер-и металломатричные композиционные материалы обладают повышенной механической прочностью и жаростойкостью.а вот,например, вязкость разрушения монокристаллов и наноматериалов мало отличается и т.п.(Наверно,лучше выразиться- уникальные свойства?)Зачем занимать место в статье - приводить уравнения 1,2 из [4,5],пояснения между этими уравнениями,если используются уравнения 3 из работы[6].Интереснее привести анализ применимости данных уравнений для описания процессов теплопереноса в нанокомпозитах.Необходимо пояснить согласно каких данных термодинамики нелинейные дифференциальные уравнения преобразованы в алгебраические;на основе каких методов построен алгоритм их решения в "соответствующих" программах и т.д. ... В общем,работа интересна,обсуждать можно ее поэтому долго,лучше пожелать автору дальнейших успехов, и на основе данного доклада провести подробные исследования.

Статья содержит реальные

Статья содержит реальные исследовательские результаты, которые являються важными дл сегодняшней ситуации в странах СНГ.

Тонкие гибкие ткани с любым

Тонкие гибкие ткани с любым магнитным наполнителем принципиально невозможно использовать для создания постоянного магнитного поля. Магнитодипольное взаимодействие между ферромагнитными частицами при отсутствии обменного взаимодействия разориентирует магнитные моменты частиц с тем, чтобы уменьшить энергию магнитостатического поля. Этот факт хорошо известен специалистам в области физики магнитных явлений. Таким образом, достижение поставленной цели обречено на провал. Упоминаемые в статье магнитные поля силой 10-60 мТл не могли быть получены! Поля такой силы в сотни раз превышают магнитное поле Земли.
Tyurnev

Возникает вопрос?

Статья содержательна, практична, имеет большое прикладное значение и будущее... Статья имеет большое практическое значение для структур МЧС, в частности Пожарная охрана, Но хотелось бы знать о произведстве: насколько выгодно производство полиимидного или полиамидного волокна, на которые нанесены возможные слои и добавки, для заданных функций?

...

влияет ли введение феррита стронция на температурный интервал плавления материала?было бы показательно сравнить жаростойкость полученой Вами ткани и существующими аналогами
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.