Гидрофильді, лиофильді материалдар
Гидрофобты, лиофильді материалдар
2-сурет. Суландыру типтері
Беткі қабаттың энергиясын төмендету үшін Юнг теңдеуінің анализдеріне жүгінеміз. Егер жұғу
бұрышының мәні 90
0
жоғары болғанда, жұғу бұрышының косинусының мәні теріс көрсеткіштерге
сәйкес келеді, ол тек беткі қабаты қатты денеде ғана төмен көрсеткіш мәнін
көрсететін
материалдар болуы мүмкін. Сол себептен көптеген конструкциялық материалдар мысалы, металдар
мен оның оксидтерінің беткі қабаттарының энергиясы жоғары көрсеткіштерімен сипатталады.
Сондықтан оларды төмендету үшін мұндай материалдардың беткі қабаттарына соңғы деңгейінде
наноөлшемді қабаттан құралған гидрофобты қосылыстарын енгізген жеткілікті, нәтижесінде беткі
қабаттың энергиясы төмендейді. Қазіргі кезде химиялық қосылыстардың ішіндегі фторорганикалық
қосылыстардың беткі қабаттының энергиясы ең төмен көрсеткіш көрсететіні белгілі, оның мәні
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2014
139
мынаған
тең, осыған байланысты беті тегіс қабатына жұғу бұрышы 120 –
125
0
көрсеткіштеріне сәйкес келеді. Бұл тегіс қабаттарға гидрофобты қосылыстармен химиялық
жолмен өңдеу арқылы қол жеткізуге болады.
Кедір – бұдырлы немесе тегіс қабаттардың бетін суландырған кезде, өлшенетін бұрыштың
шетінде ауытқулар туындайды. Осыған байланысты суландырудың екі әдістері келтірілді: гомогенді
суландыру ( Венцель әдісі) қатты дененің барлық беткі қабаты сұйықтықпен жанасады, нәтижесінде
беткі қабаттағы [4,5] шұңқырлардың ішін толығымен толтырады (3 – сурет, а) және гетерогенді
суландыру (Касси – Бакстера әдісі) беткі қабаттардың шұңқыр ішінің бедері ауамен толысады (3 –
сурет, б). Суландырудың екі әдісі тепе – теңдік күйде болуымен және Юнг авторының жұғу
бұрышымен сиппатталады.
3-сурет. Гомогенді (а) және гетерогенді (б) суландыру әдістері
Біріншісі бұрышқа сәйкес келеді, ол беткі қабатындағы сұйықтық дөңес не ойыс бетін
тамшылармен толтырады, ал қатты дененің бетін толығымен байланыстырады. Екінші бұрыш
сұйықтың ойыс бетінің арасымен және жергілікті аймақтың қатты дене бетіндегі үш фазалы зона
арқылы түйісетінімен сипатталады. Юнг бұрышының арақатынасына байланысты (1) ең біріншіден
беткі қабаты жанасқан заттың химиялық құрамына байланысты анықталады. Гомогенді суландыру
әдісі бойынша аймақтағы бұрыштың шетін нәтижелі түрде Дерягин – Венцель арақатынасы негізінде
есептейді:
(2)
ондағы
– кедір – бұдырлы дене аймағының коэфиценті, – беткі қабаттың нақты
аймағының арақатынасы,
– жанама аймағының арақатынасы.
Осы гомогендік әдістегі арақатынастың нәтижесі кедір – бұдыр қабаттың бетін суландырғанда,
гидрофобты қабаттың бетіндегі бұрыштың шеті
жоғарлайды және гидрофильдің беткі
қабатты керісінше
төмендейді.
Екінші суландыру әдісінде сұйықтық пен кедір – бұдыр дене арасының шекарасы гетерогенді
болса және қатты дене бұрыштың шетінен және шұңқырдан тұрып, жарым – жартылай немесе
толығымен ауамен толтырылса, (3 – суреттің б қараңыз) онда жұғу бұрышы нәтижелі түрде Касси –
Бакстера арақатынасымен анықталды:
(3)
ондағы
– кедір – бұдырлы дененің беткі қабатының аймағы суланғанда шұңқыр
рельефтерінің біртіндеп толу проекциясы, - кедір – бұдырлы қабат бетінің сулану коэффициентті.
Осыған байланысты
беткі қабаты суланғанда гетерогендік әдістен гомогендіге өтеді, (3) мен
(2) формула арақатынасы
жағдайда беткі қабаты толығымен суланбайтынын көрсетеді.
Гетерогендік әдістегі [6] суландырудың анализ теңдеуінің нәтижесі жұғу бұрышының мәні 150
0
жоғары екені дәлелденді және суланған аймақтың өзі 10% төмен болғаны байқалады. Осы
гетерогенді әдісте беткі қабатын суландыру негізгі факторлардың бірі болып табылады, ол аса
гидрофобты материалдар мен қаптаманың қорғаныш қасиеттерімен сипатталады. Гетерогендік
режимде беткі қабаттын суландыру процесі бұл негізгі факторлардың бірі болып табылады, ал аса
гидрофобты қаптама мен материалдар жоғарғы қорғаныш қызметін атқарады.
●
Технические науки
№2 2014 Вестник КазНТУ
140
Суландыру әдісін анықтау үшін бұл жүйе термодинамикалық тұрақты болып қарастырылады
және Гиббстің бос энергиясының өлшемі күйінде есептеліп салыстырылды. Осы жүйе қалыпты және
тұрақты күйде болатынын жеңілдетіліп көрсетілді. Бұл жердегі екі бұрыштың венцелевский мен
касси – бакстеровскийдің көрсеткіштерінің өлшемдерінің мәнін төменгі көрсеткіште алсақ, онда
оның энергиясының өлшеміде төменгі мәнге ие болады, сол себептен ол термодинамикалық өте
тұрақты күйге ауысады. Осыған байланысты күрделі рельефтің өзгерген аймағындағы және
жүйеде Гиббстің бос энергиясы бірнеше минимумға дейін жетеді, нәтижесінде энергетикалық
кедергілер туындайтыны байқалады. Осындай жағдайларда жүйеде тұрақты күй орнайды. Егер
төменгі көрсеткіштерден өте тұрақты күйге ауысқанда кедергілер белгісіз себептерден пайда болады,
ал жоғарғы көрсеткіштердің әсерінен кернеулер ауытқиды (мысалы, тамған тамшының
вибрациясымен кинетикалық энергиясы).
Гидрофобтың беткі қабатын суландыру режимінің ең маңызды ерекшеліктері бар. Ол гомогенді
режимде кедір – бұдыр қабаттың көбеюіне сәйкес келіп, бұрышы нәтижелі түрде артады және жұғу
гистерезисі бір уақыт бойымен өседі, ал гетерогенді режимде бұған керісінше тенденцияға ие болады.
Жоғарыда көрсетілген мәліметтер бойынша, қорытындылайтын болсақ, аса гидрофобты
материалдар алу үшін ең біріншіден беткі қабаттарын өңдеуден өткізу қажет, нәтижесінде юнгтың
жұғу бұрыштарының мәні 90
0
жоғары болуы тиіс, ал екіншіден гетерогендік режимде жұғу бұрышы
мәнін көрсетеді және термодинамикалық тұрақты болуын қамтамасыз етеді.
Адсорбцияланған гидрофобты агенттер беткі қабаттармен физикалық және химиялық табиғаттағы
күйде әсерлеседі. Беткі қабаттың физикалық адсорбциялық байланысы бұл кәдімгі өте әлсіз
физикалық дененің әрекеттесуімен анықталады, мысалы вандерваальс күші. Ол сумен ұзақ уақыт
бойы әрекеттеседі, нәтижесінде беткі қабатындағы адсорбцияланған молекулалардың жойылуына
(десорбцияланады) алып келеді. Физикалық адсорбция әдісін қолдану мақсатында алынған қаптама
мәңгі немесе ұзаққа шыдамайды, оны тек конструкциялық материалдарға қолданады [7]. Ал,
гидрофобты агенттердегі химиялық адсорбция әдісі бұл материалдардың өте жоғарғы мәндегі
көрсеткіштерінің энергиясының әрекеттесуімен сипатталады. Бірақ хемосорбция әдісіне гидрофобты
агенттің құрамындағы молекула реакциялық қабілеттілігі бар топқа сәйкес және беткі қабатын
өңдейтін заттар реакциялық активті болуы тиіс. Химиялық адсорбциялық активті затар ретінде
перфторалкил – метаакрил сополимері, фтордецил – полиэдрлі силсесквиоксандары, функциональды
перфтороксисилан мен полидиметилсилоксандары жатады. Сондықтан осы қосылыстарға келешекте
толық зеріктеулер жүргізілу қажет.
ӘДЕБИЕТТЕР
1. Бойнович, Л.Б. Гидрофобные материалы и покрытия [Текст]: принципы создания, свойства и
применение [Текст]: // Л.Б. Бойнович, А.М. Емельяненко // Успехи химии. – 2008. – Т. 77. – № 7. – С. 619–638.
2. Boinovic L., Principles of design of superhydrophobic coatings by the deposition from dispersions [Текст]
// Langmuir. 2009.V. 25. № 5. P. 2907–2912.
3. Tuteja A., Designing superoleophobic surfaces [Текст] // Science. 2007. V. 318. P. 1618–1622.
4. Boinovich L.B., The prediction of wettability of curved surfaces on the basis of the isotherms
of the disjoining pressure [Текст] // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2011. V.
383. № 1–3. P. 10–16.
5. Steele A., Inherently Superoleophobic Nanocomposite Coatings by Spray Atomization [Текст]
// Nanoletters. 2009. V. 9. P. 501–505
6. Li Y., Silver Hierarchical Bowl Like Array: Synthesis, Superhydrophobicity, and cal Properties [Текст]
// Langmuir. 2007. V. 23. № 19. P. 9802–9807
7. Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, В.М. Муллер. [Текст] Поверхностные силы. Наука, Москва 1985г.
Нұрлыбаева А.Н., Сахы М.С., Рүстем Е.І., Нұрлыбаева Э.Н.
Аса гидрофобты қаптама – полифункционалдық наноқұрылымды материалдардың жаңа типтері
Түйіндеме. Аса гидрофобты материалдармен қаптамалар үлкен тәжірибелік қызығушылық тудырып
отыр, өйткені олардың құрамында өте сирек кездесетін функционалды топтар кіреді. Инновациялық жағынан
бұл материалдарды тек нанотехнология және наноматериалды қолдану арқылы алуға болады. Бұл мақалада
алынған материалдардың теориялық негіздері қарастырылды, тәжірибелік қолдану жағынан анализдері
ұсынылды. Қазіргі таңда қолданып жүрген негізгі әдістердің түрлері көрсетілді. Аса гидрофобты қаптаманың
химиялық және физикалық табиғаты талқыланды. Осы материалдарды алу үшін ең біріншіден беткі қабаттарын
өңдеуден өткізу қажет.
Кілт сөздер: аса гидрофобты, сулану гистерезисі, жұғу бұрышы, гидрофильді, лиофильді, гидрофобты,
лиофобты, кедір – бұдыр, флюидалы.
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2014
141
Нурлыбаева А.Н., Сахы М.С., Рустем Е.И., Нурлыбаева Э.Н.
Супергидрофобные покрытия – новый класс наноструктурных полифункциональных материалов
Резюме. Супергидрофобные материалы и покрытия представляют большой практический интерес,
поскольку обладают рядом уникальных функциональных характеристик. Благодаря широким инновационным
перспективам применения этих материалов возникло даже отдельное направление современного
материаловедения. В работе кратко рассмотрены теоретические основы создания подобных материалов и
покрытий, представлен анализ их практического применения. Представлены основные группы методов,
активно используемые в ностоящее время для создания материалов и покрытий с заданными топологией,
структурой и варьируемой гидрофобностью. Обсуждены проблемы старения и деградации супергидрофобных
покрытий.
Ключевые слова: Супергидрофобный, гистерезис, угол смчивания, гидрофильный, лиофильный,
гидрофобный, лиофобный, флюида.
Nurlybayeva A.N., Sakhy M.S., Rustem
E.I., Nurlybayeva E.N.
Superhydrophobic coverings – in nanotechnologies the new class of multifunctional materials
Summary. Superhydrophobic materials and coverings represent great practical interest as possess a number of
unique functional characteristics. Thanks to wide innovative prospects of application of these materials there was even a
separate direction of modern materials science. In work theoretical basics of creation of similar materials and coverings
are briefly covered, the analysis of their practical application is submitted. The main groups of the methods which are
actively used in the present for creation of materials and coverings with set topology, structure and varied water
repellency are presented. Problems of aging and degradation of superhydrophobic coverings are discussed.
Key words: Superhydrophobic, moistening hysteresis, corner wetting, hydrophilic, liofовny, hydrophobic,
liofilny, a fluid
УДК 537.311.37
Г.З. Казиев, Р.М. Ахметов, Г.С. Набиева, К.Ж. Файзрахманова
(Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева
Алматы, Республика Казахстан)
ИННОВАЦИОННЫЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА И ТРАНСПОРТИРОВКИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ПОПУТНЫМ ПОЛУЧЕНИЕМ ВОДОРОДА
Аннотация. Рассматривается инновационный метод производства и транспортировки элекроэнергии на
большие расстояния с попутным получением промышленного водорода. На основе анализа существующих
систем и способов производства и транспортировки электроэнергии определены основные недостатки таких
систем. Сформулированы идея и постановка проблемы экологически чистого производства и транспортировки
электроэнергии на основе использования алюминия. Разработан и предложен технологический цикл
транспортировки и хранения электроэнергии. Приведены некоторые расчёты по обоснованию применения
алюминия.
Ключевые слова: системы, электроэнергия, метод хранения электроэнергии и транспортировки.
1. Состояние проблемы. В 70-х годах XIX века были в основном разработаны конструкции
генераторов электрического тока. Это дало возможность преобразовывать тепловую энергию
паровых машин или энергию падающей воды в электрическую энергию в масштабах, ранее
неслыханных.
Однако возможность получения электрической энергии в больших количествах сразу же
поставила перед техникой другую очень важную и принципиально совершенно новую задачу, именно
задачу транспортирования энергии, передачи ее из одного места в другое.
До изобретения электрических генераторов эта задача не возникла, потому что она была
совершенно неразрешимой. В самом деле, если мы имеем водяной или ветряной двигатель или
паровую машину, то мы можем передать его механическую энергию только станку, находящемуся в
непосредственной близости от двигателя. Эта передача с помощью валов, зубчатых колес, ременных
трансмиссий и т. п. сравнительно легко осуществляется на расстояние до нескольких десятков или в
крайнем случае, сотен метров, но нельзя представить себе, чтобы с помощью таких устройств можно
было передавать энергию на расстояние нескольких километров или десятков километров.
Энергию же электрического тока можно передавать по проводам на расстояние до нескольких
тысяч километров. Поэтому, как только были созданы первые удовлетворительные модели
электрических генераторов, возникла проблема централизованного производства энергии и ее
●
Технические науки
№2 2014 Вестник КазНТУ
142
передачи по проводам на большое расстояние. Такая постановка задачи – производство энергии в
одном месте и потребление ее в другом – является одной из важнейших принципиальных
особенностей энергетики.
С течением времени данная задача не только не потеряла своего значения, но стала еще
актуальнее. Процессы глобализации, увеличение, как численности населения, так и увеличение
потребления электроэнергии населением, требуют передачи все большего количества электрической
энергии на все большие расстояния. Совершенно новый класс задач предъявляет «зеленая»
энергетика. Становится все более очевидным, что существующие системы передачи электроэнергии
исчерпали свой ресурс или, по крайней мере, близки к этому. В связи с этим в мире активно ведется
поиск альтернатив не только для генерирующих, но и для распределяющих мощностей.
В мае 2011 года в Потсдаме (Германия) состоялся «Симпозиум по передаче больших потоков
энергии
на
дальние
расстояния»
(«TransportingtensofGWattsofGreenPowertotheMarket»)
организованный Институтом изучения возобновляемых источников энергии (IASS).
Основная направленность симпозиума – обсуждение различных возможных методов и
технологий по передаче потоков электрической энергии в масштабах десятков Гигаватт. Примером
необходимости передачи таких потоков энергии является, например, выступление профессора
Nebojsa Nakicenovic из Международного института прикладного системного анализа Технического
университета Вены (Австрия). На рис.1 показано, что в пустыне Сахара, в которой отмечается 360
солнечных дней в году, площадь солнечных батарей размером 300 км х 300 км может обеспечить все
мировое потребление электроэнергии. Площади 150 км х 150 км и 50 км х 50 км – обеспечивают все
потребление Европы и Германии соответственно. При этом из рисунка видно, что эти площади
занимают весьма малую часть пустыни. На рис. 2 показаны возможные направления передачи
электро и других видов энергии из пустынь в промышленные и населенные центры. Таким образом,
пустынные площади на земле в будущем могут являться источником надежной энергии.
Но возникает проблема: как и каким способом, передать эту энергию, в том числе
электрическую в промышленные и густозаселенные районы? Порядок величины расстояний
передачи составляет 3000-5000 км, требуемая мощность порядка 10 ГВт.
Рис. 1. Пустыня Сахара Рис. 2. Возможные направления передачи
электроэнергии из пустыни
Обсуждались, как и давние идеи Гарвина-Матису 1966 года о сверхпроводящих кабелях на
основе низкотемпературных сверхпроводников (доклад Пола Гранта, США), так и современные идеи
кабелей постоянного тока на основе высокотемпературных сверхпроводников (доклад сотрудника
EPRI Стивена Экроуда (США) и профессора Ямагучи из университета Чубу (Япония). Профессор
Ямагучи рассказал о, пожалуй, первом в мире реализованном проекте ВТСП кабеле постоянного тока
длиной 200 м на напряжение ±10кВ и тока в 2 кА, успешные испытания которого прошли в прошлом
году.
Также обсуждались проблемы создания мощных преобразователей постоянного – переменного
токов (Сименс, Германия) необходимых для организации линий передач постоянного тока. [1]
Ведутся исследования, основанные на резонансной однопроводной схеме передаче
электрической энергии [2]
●
Техникалық ғылымдар
ҚазҰТУ хабаршысы №2 2014
143
2. Недостатки традиционных энергосистем. Несмотря на то, что практически столетие
системы, в том или ином виде, передающие электроэнергию по проводам исправно служили
человечеству, и вероятно, в будущем сохранят свое значение как средство локального распределения
энергии, в свете поставленных задач применение таких систем неоправданно, в виду присущих им
недостатков. Мы подразумеваем недостатки присущие в силу самой ее природы, независимо от
конкретных инженерных и технических находок. В рамках рассматриваемого вопроса такими
недостатками являются:
1. Стационарность. Будучи раз спроектирована и построена – система плохо поддается
изменениям. И такие изменения, когда бывают возможны, во всяком случае, чрезвычайно затратные.
По расчетам российских специалистов [2] затраты на проектирование, демонтаж и строительство
новой линии ЛЭП превышают миллион рублей на километр сети. Имеются в виду традиционные
системы. Сколько будет стоить линия электропередач основанная на сверхпроводниках охлаждаемых
жидким водородом, сложно даже представить.
2. Надежность. ЛЭП и сопутствующая ей инфраструктура, просто даже как и любая
технически сложная система, имеет не нулевую вероятность аварии. Тем более ЛЭП такого класса во
многом опытная и экспериментальная будет подвержена риску аварии даже больше, чем
традиционные.
3. Уязвимость. Традиционно нестабильная политическая обстановка в Ближневосточном и
Африканском регионах, является едва ли не самым серьезным препятствием для проведения
подобного рода проектов в регионе. Исходя из чисто географических посылок, становится ясно, что
сверхмощная ЛЭП в Европу пройдет именно по территории Ближнего Востока и Северной Африки.
Надо ли пояснить опасность данной ситуации?
Резюмируя перечисленные недостатки имеем следующую ситуацию: чрезвычайно дорогая (как
в силу размеров, так и за счет использования сверхпроводников и жидкого водорода),
непредсказуемая в силу своей новизны линия электропередач проходящая по территории стран где
разного рода революции, гражданские войны и смена власти так же обычны и неизбежны как смена
времен года. Сюда же добавим, что линия эта должна обеспечивать энергией если не всю, то
значительную часть Европы. Целиком полагаться на такую систему было бы верхом безумия, ибо в
случае аварии экономические последствия будут самыми катастрофическими. Стало быть,
совершенно отказаться от существующей энергоинфраструктуры Европы нельзя. Видимо, придется
консервировать электростанции, поддерживать в исправном состоянии распределительные сети,
трансформаторные подстанции, в общем всю нынешнюю энергосистему. Что, хотя и обойдется
дешевле их эксплуатации, но тоже весьма недешево. В результате система с использованием любой
линии электропередач данного масштаба представляется чрезвычайно дорогой (даже с учетом
бесплатности солнечного света) и ненадежной.
3. Предлагаемый метод. Если невозможно напрямую транспортировать электрическую
энергию, то можно ее запасти в том или ином виде и перевозить ее уже в виде некоего вещества.
Такой способ, учитывая вышеизложенные недостатки, заслуживает самого пристального
рассмотрения.
Один из вариантов транспортировки электрической энергии – который может быть перевезен
различными путями (морским и наземным транспортом). Имея, однако, низкую температуру кипения
и плотность и в тоже время высокую химическую активность (водородная коррозия металлов) задача
хранения и перевозки водорода становится весьма не тривиальной. Не сбрасывая со счетов водород,
как энергоноситель, рассмотрим более безопасную альтернативу.
Такая альтернатива есть. Имя ей – алюминий. Такое обстоятельство может показаться
несколько неожиданным. Но это лишь с первого взгляда. На самом деле (да и вообще металлические
топлива) не такое уж новое явление. Например, тот же алюминий применяется в качестве компонента
ракетных топлив, как вещество обладающее высокой калорийностью. В то же время отсутствие
газообразных продуктов сгорания является одновременно существенным недостатком для ракетного
топлива (отсутствует реактивная тяга), и не менее существенным достоинством для топлива
используемого на электростанциях. Как алюминий даже превосходит водород, так как последний
хоть и дает в качестве выхлопа всего лишь водяной пар, но это как минимум потери тепла, как
максимум парниковый газ.
Эффективно хранить и перевозить алюминий, особенно сравнив его с водородом! По поводу
опасности хранения и транспортировки можно процитировать доктора химических наук,
преподавателя МГУ им. Ломоносова, профессора Бекмана:
|