Obtaining a test nanomodifier at the production level

Наномодификаторларды өндірістік деңгейде алу олардың зертханалық өндірісімен салыстырғанда айтарлықтай технологиялық күрделілікті білдіреді. Негізгі қиындықтар өндіріс процесін масштабтауға, өнімнің сапасы мен тұрақтылығын бақылауға байланысты.

Өндірісте синтездің зертханалық әдістерін неғұрлым ауқымды процестерге көшіру қажет. Бұл өндіріс көлемін ұлғайтуды ғана емес, сонымен қатар химиялық реакциялар мен технологиялық процестерді өндірістік жағдайларға бейімдеуді және оңтайландыруды қамтиды.

Өндірістегі сапаны бақылау да негізгі аспект болып табылады. Наномодификаторлардың сипаттамаларының тұрақтылығы мен біркелкілігін қамтамасыз ету қажет, бұл талдау мен бақылаудың сенімді әдістерін әзірлеуді қажет етеді. Бұған қажетті сапа стандарттарынан кез келген ауытқуларды жедел анықтауға қабілетті бақылау және талдау жүйелері кіреді.

Орындалған тәжірибенің нәтижелері негізінде технологиялық процестер мен өндіріс әдістерін үнемі жетілдіру де маңызды аспект болып табылады. Деректерді үнемі зерттеу және талдау ықтимал проблемаларды анықтауға және синтез және сапаны бақылау процестерін жақсартуға көмектеседі.

Техникалық және ұйымдастырушылық қиындықтарға қарамастан, өнеркәсіптік деңгейде наномодификаторлар өндірісі жақсартылған қасиеттері бар инновациялық материалдарды жасау үшін үлкен әлеуетке ие. Бұл процесс жоғары технологиялық білім мен дағдыларды ғана емес, сонымен қатар өндірістің сенімділігі мен қауіпсіздігін қамтамасыз ететін сапаны қатаң бақылауды қажет етеді.

Стратегиялық жоспарлау және тәуекелдерді басқару бірдей маңызды. Тәуекелдерді талдау негізінде мақсаттарды анықтау, стратегияларды әзірлеу және жедел шешімдер қабылдау ықтимал жағымсыз әсерлерді азайтуға және өндіріс процесінің тұрақтылығын қамтамасыз етуге көмектеседі.

Тұтастай алғанда, наномодификаторларды алу саласындағы өндірістік деңгейдегі қиындықтарды еңсеру озық технологияларды пайдалануды, білікті мамандарды оқытуды, ғылыми қоғамдастықпен ынтымақтастықты және тәуекелдерді басқару стратегияларын әзірлеуді қамтитын кешенді тәсілді талап етеді. Бұл жоғары сапалы наноматериалдардың тұрақты және тиімді өндірісін қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.

Наномодификаторларды өндірудің маңызды аспектілерінің бірі-олардың мөлшерін нанометр деңгейінде бақылау. Ол үшін бөлшектердің өлшемдерін жоғары дәлдікпен және ажыратымдылықпен анықтау үшін наноөлшемді өлшеудің әртүрлі әдістері қолданылады. Еріген наномодификатордың тығыздығы әртүрлі талдау әдістері арқылы анықталатын маңызды параметр болып табылады. Наномодификатор ерітіндісінің тығыздығын анықтаудың бір тәсілі-Архимед заңына негізделген гидростатикалық өлшеу әдісін қолдану. 

Осы Заңға сәйкес, сұйықтыққа батырылған дененің салмағы олесыстырған сұйықтықтың салмағына тең және ортаның тығыздығына байланысты. Еріген наномодификатордың тығыздығын анықтау үшін белгілі бір ерітіндінің массасын және ерітіндінің көлемін өлшеуге болады. Бұл жағдайда тығыздықты есептеу формуласы келесідей:

мұндағы (p – ерітіндінің тығыздығы, m - ерітіндінің массасы, V - оның көлемі).

Ерітіндінің тығыздығын дәлірек анықтау үшін, әсіресе наноөлшемді бөлшектер жағдайында, пикнометрияны да қолдануға болады. Бұл әдіс ерітіндінің көлемін тығыздығы белгілі сұйықтыққа батыру арқылы өлшеуге негізделген. Сұйықтық деңгейінің өлшенген өзгеруінен сіз батырылған ерітіндінің көлемін есептей аласыз, содан кейін оның тығыздығын анықтай аласыз.

Наномодификаторлар контекстінде ерітіндінің тығыздығы маңызды рөл атқарады, өйткені ол ерітіндідегі наномодификаторлардың концентрациясымен байланысты. Наномодификаторлардың жоғары концентрациясы ерітіндінің физика-химиялық қасиеттерінің өзгеруіне және кейбір жағдайларда агрегаттардың пайда болуына немесе бөлшектердің тұндырылуына әкелуі мүмкін. Сондықтан ерітіндінің тығыздығын және оның концентрациясын бақылау наномодификаторларды өндіруде маңызды міндет болып табылады.

Сонымен қатар, наномодификатор ерітіндісінің тығыздығын білу оның белгілі бір ортада ерігіштігін және жүйенің басқа компоненттерімен өзара әрекеттесуін бағалауға мүмкіндік береді. Ол үшін белгілі бір жағдайларда берілген еріткіште еритін заттың мөлшерін анықтайтын ерігіштік ұғымы қолданылады.

Наномодификатордың ерігіштігін ерітіндінің берілген көлеміндегі еріген заттың массалық үлесі ретінде көрсетуге болады. Бұл наномодификатор концентрациясының оның қасиеттеріне және қоршаған ортамен өзара әрекеттесуіне әсерін ескеруге мүмкіндік береді. Ресми түрде ерігіштік келесі формуламен көрсетіледі:

мұндағы (s - наномодификатордың ерігіштігі, mеріген - еріген заттың массасы, mерітінді - ерітіндінің массасы.

Наномодификатор ерітіндісінің тығыздығын өлшеу және бақылау өндіріс процесінің маңызды кезеңдері болып табылады, өйткені олар өнімнің концентрациясы мен сапасының тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Бұл өндіріс процесін өнеркәсіптік деңгейге дейін масштабтау кезінде өте маңызды, мұнда наномодификатор концентрациясындағы шамалы ауытқулар да соңғы өнімнің қасиеттері мен сапасына айтарлықтай әсер етуі мүмкін.

Осылайша, наномодификатордың тығыздығы мен ерігіштігін өлшеу наноматериалдардың тұрақтылығы мен сапасын қамтамасыз етуге және олардың қоршаған ортамен өзара әрекеттесуін түсінуге көмектесетін өндіріс процесінің маңызды қадамын білдіреді.

Наномодификаторларды өндірудің маңызды аспектісі олардың ерітіндідегі дисперсиясы болып табылады, бұл олардың таралуына және жүйенің басқа компоненттерімен өзара әрекеттесуіне әсер етеді. Сонымен қатар, ерітіндідегі наномодификаторлардың дисперсиясы мен таралу біркелкілігін дәлірек бағалау үшін сканерлеуші электронды микроскопия (SEM) және трансмиссиялық электронды микроскопия (TEM) сияқты бейнелеу әдістері қолданылады. Бұл әдістер нанобөлшектердің құрылымы мен морфологиясын тікелей визуализациялауға, сондай-ақ олардың ерітіндідегі біркелкі таралуын бағалауға мүмкіндік береді. Өндірістік қазандық үшін рН (қышқыл-негіз тепе-теңдігі) маңызды рөл атқарады, өйткені ол жұмыс тиімділігі мен жабдықтың беріктігіне әсер етеді. Оңтайлы рН деңгейі нақты өндіріс жағдайларына, қазандық түріне, қолданылатын материалдар мен химиялық процестерге байланысты. Жалпы алғанда, көптеген өндірістік қазандықтар үшін судың оңтайлы рН мәні 8-ден 10-ға дейін болады.

РН деңгейінің тым төмен болуы қазандықтың металл беттерін коррозияға, сондай-ақ қақ пен шөгінділердің пайда болуына әкелуі мүмкін, бұл оның жұмыс тиімділігін төмендетеді және жабдықтың дұрыс жұмыс істемеуіне әкелуі мүмкін. РН деңгейінің тым жоғары болуы шөгінділердің пайда болуы және кейбір заттардың тұндырылуы сияқты проблемаларды тудыруы мүмкін. Сондықтан тиісті химиялық қоспалар мен рН реттегіштері арқылы өндірістік қазандықтағы судың оңтайлы рН деңгейін үнемі бақылау және сақтау маңызды. Бұл қазандықтың тиімді жұмысын қамтамасыз етеді және оның қызмет ету мерзімін ұзартады.

Катионды сүзгіден кейін судың рН мәні әдетте тұрақты болып қалуы керек және сүзу алдында орнатылған оңтайлы диапазонда болуы керек. Катиондық сүзгі Судан катиондарды (оң зарядталған иондарды) кетіру үшін қолданылады, бұл судың құрамы мен бастапқы рН-на байланысты оның рН-на әсер етуі мүмкін.

Егер қышқыл қосылыстардың құрамына байланысты бастапқы судың рН төмен болса, онда қышқыл элементтерінің катиондарын кетіретін катиондық сүзгіден өткеннен кейін РН аздап жоғарылауы мүмкін. Бұл жағдайда, катионды сүзгіден кейін, өндірістік қазандық үшін оңтайлы рН 8-ден 10-ға дейін болуы керек, бұл жабдықтың тұрақты жұмысын қамтамасыз етеді және коррозияны немесе масштабты болдырмайды. Өндіріс қазандығының тұрақты жұмыс жағдайларын қамтамасыз ету және рН жеткіліксіз немесе артық болуымен байланысты жағымсыз салдардың алдын алу үшін катионды сүзуден кейін судың рН деңгейін үнемі бақылау маңызды. Қажет болса, оңтайлы деңгейді сақтау үшін тиісті химиялық қоспаларды немесе РН реттегіштерін қолдануға болады.

Ұнтақталған кремний диоксиді суда ерігеннен кейін оның тығыздығы мен рН өзгереді. Құрамында кремний диоксиді (SiO2) бар ұнтақталған кремний диоксиді сумен әрекеттесіп, Судың химиялық құрамы мен қасиеттеріне әсер ететін кремний қышқылын (H2SiO3) түзе алады. Ұнтақталған кремний диоксидінің қосылуына байланысты судың тығыздығы аздап артуы мүмкін, әсіресе қосылатын заттың жоғары концентрациясында. Кремний диоксидінің еруі нәтижесінде пайда болатын Шақпақ қышқылы химиялық құрамының өзгеруіне байланысты судың тығыздығын арттыруы мүмкін.

РН-қа келетін болсақ, ол кремний қышқылының түзілуіне байланысты ұнтақталған кремний диоксиді ерігеннен кейін төмендеуі мүмкін. Кремний қышқылы сумен әрекеттескенде қышқыл кремний гидроксидтерін түзеді, бұл судың рН төмендеуіне әкелуі мүмкін. 

Қалай болғанда да, жабдықтар мен өндіріс процестерінің тұрақты жұмыс жағдайларын қамтамасыз ету үшін ұнтақталған кремний диоксиді қосылғаннан кейін судың тығыздығы мен рН деңгейін үнемі бақылау маңызды. Қажет болса, РН түзету және судың оңтайлы химиялық параметрлерін сақтау үшін шаралар қолдануға болады.

Ерітіндінің түс, тығыздық және композиция сияқты сипаттамаларының өзгеруін зерттеу үшін әртүрлі концентрациядағы (5%, 10% және 15%) ұнтақталған кремний диоксидінің еру сынақтары жүргізілді. Эксперимент барысында келесі нәтижелер атап өтілді:

Ерітіндінің түсі:

• 5% ұнтақталған кремний диоксиді концентрациясы бар эксперименттен кейін ерітінді сәл бұлыңғыр, бірақ негізінен мөлдір көрініске ие болды.
• 10% ұнтақталған кремний диоксиді концентрациясы бар эксперименттен кейін ерітінді сәл бұлыңғыр болып, түсі сәл сұрғылт реңкке ие болды.
• 15% ұнтақталған кремний диоксиді концентрациясы бар эксперимент нәтижесінде ерітінді одан да бұлыңғыр болды және оның түсі сұр немесе ақ реңктерде көрінді.

Ерітіндінің тығыздығы:

• 5% концентрациясы бар эксперименттен кейін ерітіндінің тығыздығы салыстырмалы түрде төмен болып қалды, таза сумен салыстырғанда шамалы өсім болды.
• 10% және 15% ұнтақталған кремний диоксиді концентрациясымен тәжірибе жасағаннан кейін, ұнтақталған кремний диоксиді бөлшектерінің көп болуына байланысты ерітіндінің тығыздығы біртіндеп өсті.

Ерітіндінің құрамы:

Ерітіндінің құрамын талдау кремний қышқылының (H2SiO3) болуын ұнтақталған кремний диоксидімен жүргізілген тәжірибелер нәтижесінде көрсетті.

Ерітіндідегі ұнтақталған кремнезем концентрациясының жоғарылауымен құрамында кремний қышқылы мен басқа кремний бар қосылыстардың көбеюі байқалды.

Бұл эксперимент нәтижелері ерітіндідегі ұнтақталған кремний диоксидінің концентрациясы оның түсі мен тығыздығы, сондай-ақ ерітіндінің құрамы мен химиялық құрамы сияқты сыртқы сипаттамаларына айтарлықтай әсер ететінін көрсетеді.

Ұнтақталған кремний диоксиді тұзды еріткіште 12 сағат бойы ерігеннен кейін және әр үш сағат сайын 50 мл ерітіндіні үнемі өлшегеннен кейін келесі мәліметтер алынды: ерітіндінің салмағы 50 мл-ге 50 грамнан 50 мл-ге 53,1 грамға дейін 50 мл-ге дейін өсті.

Бұл эксперимент барысында ұнтақталған кремний диоксиді тұзды еріткіште сәтті ерігенін білдіреді, нәтижесінде ерітінді массасы артады. Массаның ұлғаюы ұнтақталған кремний диоксиді ерітіндіге сәтті қосылғанын және оның тығыздығына әкелгенін көрсетеді, бұл әртүрлі өндірістік және зертханалық қолданбалар үшін негізгі фактор болуы мүмкін.

Сурет. Қоспа тығыздығының арту кестесі

Ұнтақталған кремнеземді еріту процесі аяқталғаннан кейін және ерітіндінің массасының ұлғаюын бақылағаннан кейін біз бөлшектердің шөгуін күту процедурасын қосымша жүргіздік. Бұл процедура кезінде ұнтақталған кремний диоксиді бөлшектері біртіндеп ыдыстың түбіне қоныстанды.

Шөгу процесі аяқталғаннан кейін біз артық су компонентін кетіру үшін тұндырылған бөлшектерді кептірдік. Содан кейін алынған материал жеңіл бетон өндірісінде қолданылды.

1. "Influence of nano-SiO2 addition on properties of hardened cement paste as compared with silica fume" (2014) авторства Qinghua Li, Zongjin Li, Hui Li.
2. "Effects of nano-SiO2 and different ash particle sizes on slurry infiltration depth of mortar" (2019) авторства Han Liu, Hui Li, M. Shariq, Guang Ye.
3. "Nanotechnology in concrete – A review" (2011) авторства M.P. Soutsos, S.A. T. Smith, J. P. Bungey.
4. "The effect of nano-silica on the compressive strength of concrete" (2013) авторства Fazıl T. Türker, Serdar Aydın, Merve Kurt.
5. "Enhancement of the mechanical properties of mortar with nano-SiO2 and micro-encapsulated phase change materials" (2017) авторства Jianzhuang Xiao, Li Yan, Jinpeng Wang, Xueliang Cui, Feng Xing, Dong Huang.