УДК 620.3

Химико-технологический процесс получения различных наноматериалов с позиции инновационного подхода

Е Пэйлинь – бакалавр по специальности «Материаловедение и технологии материалов» Томского политехнического университета.

Сюй Жуйчэнь – бакалавр по специальности «Материаловедение и технологии материалов» Томского политехнического университета.

Аннотация: В данной статье рассматриваются вопросы, связанные с рассмотрением химико-технологического процесса получения различных наноматериалов с точки зрения инновационного подхода. Рассмотрено определение понятия «наноматериалы». Изучены основные методы получения порошков для производства наноматериалов. Автор статьи подчеркивает важность применения химических процессов получения материалов с позиции их удобства, простоты и повышенной производительности. Разработан алгоритм по повышению эффективности производства наноматериалов с позиции инновационного подхода.

Ключевые слова: химическая отрасль, технологический процесс, наноматериалы, инновационный подход, производство, управление.

Введение

Актуальность темы исследования заключается в том, что в настоящее время наноматериалы играют важную роль в жизни общества и государства в целом. Они используются в различных отраслях и сферах производства таких, как химическая промышленность, сфера энергетики, медицине и т.д. Следовательно, большое значение имеют способы и методы их изготовления в основе которых должен быть положен инновационный подход и управление им. Под наноматериалами следует понимать материалы, созданные с использованием наночастиц или посредством нанотехнологий, а также обладающими уникальными свойствами.

Процесс производства наноматериалов носит специфический характер поскольку он сочетает в себе применение различных методов и технологий производства, позволяющих получать данные материалы с новыми качественными и количественными характеристиками. Особенностью получаемых наноматериалов является их малый размер, определенные магнитные свойства, повышенная плотность, упругость, коэффициент диффузии и другие характеристики.

Основная часть

Наноматериалы отличаются по своим размерам, формам, назначению и сферам использования. Стоит отметить, что основными проблемами производства наноматериалов является дороговизна используемых методов производства, высокая трудоемкость выполняемых работ, а также строгое соблюдение мер безопасности для человека. Но несмотря на это, привлекательность получения данных материалов имеет неоспоримую ценность и стратегическое значение [5, с.99].

Целью данного исследования является изучение химико-технологического процесса получения различных наноматериалов с позиции инновационного подхода, а также разработка алгоритма по повышению эффективности наноматериалов с позиции инновационного подхода.

Химико-технологический процесс производства включает в себя использование различных методов, их комбинаций с применением новых научных знаний и разработок.

Как известно, основным веществом для получения наноматериалов являются порошки. Данные порошки состоят из многочисленных кристаллитов, размером, как правило, не более 100 нм. К основным методам их производства относят физические и химические. В Таблице 1 представлены основные методы получения порошков для производства наноматериалов.

Таблица 1. Методы получения порошков для производства наноматериалов.

Самым распространенным методом получения нанопорошков является метод испарения и конденсации. Путем нагревания металла или сплава при определенной температуре и давлении (или вакууме) получают наночастицы. В отличие от испарения в вакууме атомы вещества, испаренного в разреженной инертной атмосфере, быстрее теряют кинетическую энергию из-за столкновений с атомами газа и образуют сегрегации (кластеры). При использовании данного метода следует учитывать некоторые особенности:

1. чем больше давление газа, тем больше размер получаемых наночастиц;
2. размер наночастиц увеличивается в разы в случае если, например, вместо гелия использовать ксенон;
3. чем больше размеры зоны конденсации, тем давление газа меньше.

Основной задачей при использовании данного метода является сбор нанопорошка. Задача осложняется тем, что наночастицы настолько маленькие по своему размеру, поэтому находятся постоянно в движении и практически не осаждаются. В данном случае используют специальные фильтры, обладающие поглощающей способностью [3, с.202].

Химические методы являются более универсальными и наиболее часто применимыми при производстве наноматериалов. Это объясняется легкостью и доступностью осуществления самих процессов, высокой производительностью и экономичностью. Рассмотрим их более подробно.

Следующим инновационным методом для производства наноматериалов является метод химического синтеза порошков или плазмохимический синтез. Чаще всего для производства используется СВЧ –установки для получения порошков. На Рисунке 1 представлена схема СВЧ – установки для плазмохимического синтеза.

Рисунок 1. Схема СВЧ-установки для плазмохимического синтеза: силовое оборудование (I); основное технологическое оборудование (II); соответственно вспомогательное технологическое оборудование и блок управления (III, IV); 1 – микроволновый генератор; 2 – плазмотрон; 3 – устройство ввода реагентов; 4 – реактор; 5 – теплообменник; 6 – фильтр; 7 – сборник порошка; 8 – дозатор реагентов; 9 – испаритель; 10 – вентили; 11 – ротаметры; 12 – манометры; 13 – система очистки газов; 14 – скруббер; 15 – ввод плазмообразующего газа; 16- ввод газа-носителя; 17 – вывод газов.

Основным источником сырья для производств наноматериалов являются чистые химические элементы и их соединения, в отдельных случаях галогениды. Сам процесс химического синтеза включает в себя несколько последовательных этапов. На первоначальном этапе происходит под действием химической реакции происходит образование активных частиц. На втором этапе осуществляется выделение продуктов взаимодействия. На конечном этапе получают нанопорошки с определенными размерами монокристаллов [1, с.202].

Следующим инновационным методом является лазерный метод производства наноматериалов. Данный метод заключается в прямом удалении вещества с поверхности материала при помощи лазерного импульса. Установка для производства наноматериалов представлена на Рисунке 2.

Рисунок 2. Лазерная установка для производства наноматериалов.

Таким образом, при подаче импульса низкой мощности вещество, как правило, испаряется и преобразуется в свободные молекулы или частицы. А при подаче импульса высокой мощности происходит микровзрыв с последующим образованием кратера. Важно отметить, что основными преимуществами использования данного метода является его высокая точность, производительность. Существуют также недостатки, к которым можно отнести: высокую стоимость метода, профессиональные требования к лазерной установке [4, с.47].

Считаем, что основной задачей химического производства является решение задачи повышения эффективности. В данной статье разработан алгоритм по повышению эффективности производства наноматериалов с позиции инновационного подхода, наглядно представленный на Рисунке 3.

Рисунок 3. Алгоритм по повышению эффективности производства наноматериалов с позиции инновационного подхода [Разработано автором].

Считаем, что разработанный алгоритм позволит не только повысить эффективность производства наноматериалов посредством применения инновационного подхода и научных разработок, но и создать основу для широкого повсеместного их использования в различных областях и сферах жизнедеятельности человека.

Заключение

В целом можно сделать вывод о том, что химико-технологический процесс получения наноматериалов является достаточно сложным. Он требует знаний и опыта использования различных веществ для совершения химической реакции и получения результатов на практике, а также инновационного подхода, заключающегося в применении современных средств и технологий производства. Существуют различные способы и методы получения наноматериалов в химическом производстве. Выбор того или иного метода зависит от целей и задач, используемых технологий и дальнейшей сферы применения самих материалов.

Список литературы

1. Азаренков Н.А. Наноструктурные покрытия и наноматериалы: Основы получения. М.: КД Либроком, 2019. – 368 c.
2. Воронов В.К. Свойства и применение наноматериалов. Ст. Оскол: ТНТ. 2021. 220 c.
3. Мальцев П.П. Наноматериалы. М.: Техносфера, 2018. – 432 c.
4. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: ЛИБРОКОМ. 2019. – 592 c.
5. Суздалев И.П. Наноматериалы и нанотехнологии. М.: КД Либроком, 2021. – 387 с.