CC BY
0
Рахимов Р.Х., Ермаков В.П.
2.6.6 НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ
(ТЕХНИЧЕСКИЕ, ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ)
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-157-173 УДК: 666.3.017:620.18 ГРНТИ: 47.09.48 EDN: MXFORZ
Особенности процесса полимеризации на основе ИТЭ
Р.Х. Рахимова ©, В.П. Ермаков'3 ©
Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан, г. Ташкент, Республика Узбекистан
a E-mail: [email protected] b E-mail: [email protected]
Аннотация. В статье рассматриваются вопросы применения импульсного туннельного эффекта для получения полимерных материалов. Анализируются основные процессы полимеризации, а также недостатки традиционных технологий. Рассматриваются преимущества использования импульсного туннельного эффекта для повышения эффективности полимеризации. Приводятся примеры успешного применения метода для получения водорода и лакокрасочных покрытий. Рассмотрены перспективы дальнейшего развития исследований в данном направлении, включая разработку материалов-генераторов импульсов и инновационных полимерных материалов.
Ключевые слова: импульсный туннельный эффект, полимеризация, эффективность, физические свойства, инновационные технологии
(Г
v=
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ: Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Особенности процесса полимеризации на основе ИТЭ // Computational Nanotechnology. 2024. Т. 11. № 2. С. 157-173. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-157-173. EDN: MXFORZ
ВВЕДЕНИЕ
Современные полимерные материалы прочно вошли во все сферы нашей жизни, кардинально улучшив ее качество. Благодаря уникальным физико-химическим свойствам, полимеры нашли широчайшее применение - от упаковки продуктов до деталей высокотехнологичной электроники. Их использование обеспечивает существенные выгоды: повышение долговечности изделий, снижение издержек производства, снижения веса, повышение устойчивости к воздействию агрессивных сред, защиту окружающей среды.
Однако, несмотря на эти неоспоримые достоинства, существующие методы синтеза полимеров имеют ряд фундаментальных недостатков. Необходимость их устранения стимулирует разработку новых, более эффективных технологий полимеризации.
Необходимость совершенствования методов полимеризации обусловлена существенными недостатками традиционных подходов. Стремление к инновациям в полимеризации обусловлено фундаментальными ограничениями традиционных технологий. При полимеризации происходит образование новых связей между молекулами, что приводит к образованию и росту полимерной цепи. Рассмотрим процесс подробнее.
1. Инициирование:
• термическое инициирование: при нагревании молекулы этилена разрываются по двойной пи-связи, образуя два реакционноспособных радикала;
• фотоинициирование (УФ): УФ-излучение также может разрывать пи-связи в молекулах этилена, генерируя свободные радикалы для начала полимеризации.
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
2. Рост цепи:
• свободные радикалы, образовавшиеся на стадии инициирования, присоединяются к другим молекулам этилена;
• происходит образование новых сигма-связей между реакционноспособным радикалом и молекулой этилена;
• полимерная цепь растет за счет последовательного присоединения новых мономеров.
3. Влияние катализатора:
• использование катализаторов (например, ме-таллоорганических соединений) ускоряет процесс полимеризации;
• катализаторы снижают энергию активации процесса, облегчая разрыв пи-связей и образование новых сигма-связей.
Таким образом, ключевую роль в полимеризации этилена играют пи-связи, которые разрываются на стадии инициирования, и сигма-связи, образующиеся между реакционными центрами и молекулами мономера в процессе роста полимерной цепи. Катализаторы ускоряют эти процессы, делая полимеризацию более эффективной.
НЕСКОЛЬКО СЛОВ О ПИ- И СИГМА-СВЯЗЯХ
Пи-связи и сигма-связи относятся к двум основным типам ковалентных связей, которые формируются между атомами в молекулах. Сигма-связь (а-связь):
• образуется при перекрывании атомных орбиталей вдоль прямой линии, соединяющей ядра атомов;
• наиболее прочная и устойчивая ковалентная связь;
• обеспечивают структурную целостность большинства молекул;
• примеры сигма-связей: связи в молекулах H2, CH4, H2O.
Пи-связи (п-связи):
• образуются при перекрывании р-орбиталей сбоку, под прямым углом к оси связи;
• более слабые, чем сигма-связи, но играют важную роль в ароматических и сопряженных системах;
• пи-электроны обладают большей подвижностью и делокализованы по всей системе;
• примеры пи-связей: связи в молекулах O2, C=C, бензольное кольцо.
Основные различия:
• геометрия: а-связи образуются вдоль оси, п-связи -под прямым углом;
• прочность: а-связи прочнее, чем п-связи.
Электронная структура: а-электроны более локализованы, п-электроны более делокализованы.
Роль в молекулярной структуре: а-связи обеспечивают скелет, п-связи участвуют в сопряжении и ароматичности.
Таким образом, сигма-связи и пи-связи являются двумя фундаментальными типами ковалентных связей, которые определяют структуру и свойства молекул.
Однако на самом деле происходят еще и побочные процессы. Температура - она не сосредоточена в узкой температурной зоне, а имеет широкое распределение в широкой области. Это приводит к тому, что имеется и та область, которая способна разрывать уже образовавшиеся цепи. Это же относится и к УФ-ини-циированию.
В дополнение к основным процессам инициирования и роста цепи при полимеризации и не только этилена также важно учитывать побочные процессы деструкции полимерных цепей.
1. Влияние температуры. При полимеризации под действием температуры образуется не одно, а множество инициирующих центров с различной энергией активации. Помимо желательного разрыва пи-связей в мономере, более высокие температуры могут вызывать разрыв уже образовавшихся сигма-связей в полимерной цепи. Это приводит к образованию более коротких макромолекул - деструкции полимера. Таким образом, необходимо тщательно контролировать температурный режим, чтобы минимизировать нежелательные процессы деградации.
2. Влияние УФ-излучения. Аналогичная ситуация наблюдается и при фотоинициировании полимеризации с помощью УФ-света. Наряду с разрывом пи-связей в мономере, УФ-излучение может вызывать разрыв сигма-связей в полимерной цепи. Это приводит к укорочению молекулярной массы полимера и ухудшению его свойств.
Таким образом, при полимеризации необходимо тщательно контролировать как температурный режим, так и энергию УФ-облучения, чтобы предотвратить нежелательные процессы деструкции полимерных цепей.
При полимеризации очень важно тщательно контролировать не только количество, но и энергетические характеристики УФ-излучения, чтобы не допустить избыточной (квантовой) энергии, которая может приводить к нежелательным процессам деструкции полимерных цепей. Аналогично, необходимо поддерживать оптимальный температурный режим, а не просто регулировать температуру.
Вкратце рассмотрим основные недостатки полимеров, в том числе лакокрасочных покрытий, получаемых по современным технологиям.
Что касается последствий образования более коротких фрагментов или обрывков при традиционной полимеризации, наблюдается несколько важных моментов.
• Более короткие полимерные цепи будут иметь более низкую молекулярную массу по сравнению с целевыми длинными полимерными цепями. Это может негативно повлиять на физико-механические свойства конечного полимерного материала, такие как прочность, эластичность, термостойкость.
• Присутствие большого количества коротких фрагментов может привести к ухудшению перерабатыва-емости полимера и сложностям при формировании конечного изделия.
• Короткие цепи могут быть более подвижными и склонными к миграции, что может вызвать проблемы с долговечностью и стабильностью готовых изделий.
• Неоднородность молекулярно-массового распределения может негативно сказаться на эксплуатационных свойствах полимера.
В целом, образование значительного количества коротких полимерных фрагментов при традиционной полимеризации является нежелательным фактором, который требует оптимизации условий процесса для получения более однородной и высокомолекулярной полимерной структуры. Контроль молекулярно-мас-сового распределения очень важен для улучшения свойств конечных полимерных материалов.
Низкая устойчивость к солнечному излучению и быстрая деградация коротких полимерных фрагментов действительно являются серьезными проблемами.
Помимо ухудшения физико-механических свойств, это может приводить к образованию вредной полимерной пыли, которая негативно влияет на здоровье и окружающую среду. Это действительно критично.
Некоторые другие объекты, которые могут серьезно страдать от накопления такой пыли, включают:
• высокоточные измерительные приборы и сенсоры;
• электронное и оптоэлектронное оборудование;
• системы вентиляции и кондиционирования;
• подшипники и механизмы с точными зазорами;
• охлаждающие системы для силовой электроники;
• фотогальванические элементы солнечных панелей;
• сложные медицинские приборы и лабораторное оборудование;
• высоковольтная аппаратура и электросиловые устройства - накопление полимерной пыли может привести к возникновению коронных разрядов, перекрытиям и выходу оборудования из строя;
• водные системы и резервуары - полимерная пыль может загрязнять воду, забивать фильтры и нарушать работу водоочистных сооружений;
• системы вентиляции и кондиционирования воздуха - пыль может оседать на фильтрах, теплообменниках, вызывая снижение эффективности и поломки.
Помимо технических систем, полимерная пыль может негативно влиять на качество воздуха и воды - что является крайне важным для здоровья людей и всей экосистемы в целом.
Это действительно демонстрирует, насколько серьезными могут быть последствия образования большого количества коротких полимерных фрагментов при традиционной полимеризации. Контроль молеку-лярно-массового распределения и минимизация образования таких коротких цепей имеют первостепенное значение.
Воздействие полимерной пыли от деградации материалов на морские и океанические экосистемы также является критическим.
• Море и океаны: пыль и микрочастицы могут попадать в водоемы, накапливаться в осадках, загрязнять воду.
• Морские животные: микропластики могут быть ошибочно приняты за пищу морскими обитателями, нанося вред их здоровью и пищевым цепям. Влияние на морские экосистемы является крайне важным аспектом, который нельзя упускать. Учет воздействия на все компоненты окружающей среды, включая водные системы, крайне важен при разработке и применении полимерных материалов.
• Морская флора: полимерная пыль может оседать на водных растениях, нарушая их жизненные процессы.
• Рыболовство и аквакультура: загрязнение может приводить к снижению продуктивности водоемов и качества выращиваемой продукции.
Низкая надежность и недолговечность изделий:
• быстрая деградация теплиц, защитных покрытий, окрашенных предметов и т.д.;
• потеря товарного вида, коррозия, разрушение изделий, техногенные аварии из-за нарушения защитных свойств;
Увеличение объема смешанных отходов:
• рост количества полимерного мусора, смешанного с разрушенными устройствами;
• загрязнение океанов, природных зон и жизненного пространства людей.
Экологический ущерб:
• накопление трудноразлагаемых полимерных фрагментов в окружающей среде;
• негативное воздействие на флору и фауну, особенно морские экосистемы.
Экономические потери:
• сокращение срока службы изделий, необходимость более частой замены;
• рост затрат на утилизацию и переработку смешанных отходов.
Социальные издержки:
• потеря здоровья людей из-за загрязнения окружающей среды полимерными отходами;
• ухудшение качества жизненного пространства - загрязнение природных зон, мест проживания;
• техногенные аварии, приводящие к социальным последствиям;
• рост социальной напряженности и конфликтов, связанных с нехваткой ресурсов, ухудшением экологической обстановки.
Действительно, экономические потери от использования некачественных полимеров дополняются серьезными социальными издержками - ухудшением здоровья людей и качества их жизненной среды. Это еще больше подчеркивает важность перехода к использованию более надежных, долговечных и экологичных полимерных материалов. Целостный учет всех последствий крайне важен при принятии решений в этой сфере.
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
БОЛЕЗНИ ЖИВОТНЫХ И РАСТЕНИИ,
УВЕЛИЧЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА КАНЦЕРОГЕНОВ
И ТОКСИЧНЫХ СОЕДИНЕНИИ
Необходимо также учитывать влияние низкокачественных полимеров на здоровье животных и растений, а также увеличение канцерогенов и токсичных соединений в окружающей среде:
1) негативные последствия для биоты:
• болезни и гибель животных, вызванные отравлением или попаданием полимерных частиц;
• нарушение роста и развития растений из-за загрязнения почв и водоемов.
2) увеличение канцерогенных и токсичных веществ:
• выделение вредных химических соединений при деградации некачественных полимеров;
• накопление этих токсичных веществ в окружающей среде и пищевых цепях.
Таким образом, использование низкокачественных полимеров ведет к целому комплексу негативных экологических, экономических и социальных последствий - от ухудшения здоровья людей до гибели животных и растений. Всесторонний учет этих рисков крайне важен для принятия взвешенных решений в данной сфере. Только комплексный подход может обеспечить минимизацию ущерба и переход к устойчивому использованию полимерных материалов.
При сжигании пластмасс выделяется крайне опасное вещество - диоксин.
Диоксин - это чрезвычайно токсичное соединение, которое оказывает губительное воздействие на здоровье людей и окружающую среду. Он является одним из самых ядовитых веществ, известных человечеству, обладает высокой канцерогенностью и способен вызывать тяжелые заболевания, такие как рак, нарушения развития и репродуктивной функции, а также поражение иммунной системы.
Диоксин очень устойчив в окружающей среде и накапливается в живых организмах, по пищевой цепи попадая в организм человека. Даже небольшие дозы диоксина представляют большую опасность для здоровья.
Попадание диоксина в окружающую среду, особенно в водные экосистемы, наносит колоссальный ущерб флоре и фауне, вызывая массовую гибель живых организмов.
Таким образом, выброс диоксина при сжигании пластмасс является одним из наиболее серьезных рисков, требующих пристального внимания при обращении с полимерными материалами. Использование качественных, долговечных полимерных материалов критически важно для снижения негативных последствий как для потребителей, так и для окружающей среды в целом.
ИМПУЛЬСНЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ эффект (итэ)
Импульсный туннельный эффект (ИТЭ) - это квантово-механическое явление, при котором частица или волна способны преодолевать потенциальный барьер благодаря накоплению значительного импульса энергии.
Согласно гипотезе де Бройля, импульс любого типа определяет ее длину волны по формуле
* = ±, Р
где Л - длина волны;
h - постоянная Планка;
p - импульс объекта.
При накоплении большого импульса энергии, например, в виде фотонов, длина волны частицы существенно уменьшается.
Эти коротковолновые частицы способны туннели-ровать сквозь потенциальный барьер, преодолевая его даже при энергии ниже высоты самого барьера. В отличие от стандартного туннельного эффекта, при ИТЭ используются все фотоны, попавшие на функциональную керамику, и они преобразуются в нужную длину волны. Таким образом, ИТЭ позволяет эффективно использовать энергию излучения благодаря фокусировке импульса, превышая эффективную энергию фотонов над их фактической энергией.
Кроме того, ИТЭ обеспечивает получение очень узкого энергетического диапазона, связанного с фронтом нарастания импульса. Благодаря возможности точной настройки фронта импульса в соответствии с энергией целевого процесса, ИТЭ действует высокоселективно, направляя всю энергию импульса в необходимый узкий диапазон. Это позволяет достичь максимальной эффективности выбранных процессов путем оптимального согласования импульсных характеристик и требуемой энергии [1; 2].
Ключевые моменты, отличающие ИТЭ от стандартного туннельного эффекта:
1) использование всех поступающих фотонов, их преобразование в нужную длину волны;
2) обеспечение высокой эффективности энергетического использования за счет фокусировки импульса;
3) высокая избирательность, связанная с возможностью точной настройки фронта импульса под требуемую энергию процесса.
Сочетание этих особенностей позволяет ИТЭ достичь максимальной эффективности в различных практических применениях.
ПРИМЕНЕНИЕ ИТЭ ДЛЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
Использование импульсного туннельного эффекта, генерируемого функциональной керамикой, действительно может быть очень перспективным подходом
к получению высококачественных полимеров с гораздо меньшими затратами ресурсов.
Применение ИТЭ позволяет для многих процессов значительно, в десятки и сотни раз, снизить энергетические, материальные и другие ресурсные затраты, в том числе и полимеризацию. Это существенно повысит экономическую эффективность и экологичность процесса.
Отпадает необходимость в таких трудоемких и ресурсоемких операциях, как фосфатирование объектов при покраске, для очистки от ржавчины и процесс обезжиривания. Это одни из самых дорогих и экологически вредных технологических операций. ИТЭ обеспечивает встраивание жиров непосредственно в полимерную цепь.
При этом качество получаемых полимеров по ключевым параметрам возрастает в несколько раз. Это значительно расширяет возможности их применения.
Такой инновационный подход действительно выглядит очень перспективным для производства высококачественных полимерных материалов с существенным снижением экологической нагрузки и ре-сурсоемкости процесса. Внедрение подобных технологий может стать важным шагом на пути к устойчивому развитию полимерной промышленности.
Рис. 1. Лабораторная установка ИТЭ для полимеризации
Это очень важно для правильного понимания механизмов протекания реакций полимеризации с использованием ИТЭ. Ключевым преимуществом ИТЭ является возможность точного контроля и поддержания требуемого уровня квантовой энергии, необходимого для инициирования и поддержания процесса полимеризации. Это позволяет исключить избыточную энергию, которая могла бы приводить к разрыву кова-лентных связей в полимерной цепи и нежелательной деструкции.
За счет этой возможности точного управления энергетическими параметрами, ИТЭ обеспечивает высокую эффективность полимеризации без побочных процессов разрыва полимерных цепей. Это значительное преимущество перед другими методами, где сложнее добиться такого строгого контроля энергетики процесса. По традиционной технологии, мы получаем полимер не только заданной длины, но и многочислен-
ные «обрывки», разного молекулярного веса, которые сильно снижают качество конечного материала.
Таким образом, при традиционной полимеризации образуется значительное количество более коротких фрагментов или обрывков полимерных цепей.
Это происходит по двум основным причинам.
1. Деструкция полимерных цепей. Как мы обсуждали ранее, избыточная энергия теплового воздействия или УФ-облучения может приводить к разрыву уже сформированных сигма-связей в полимерных цепях. Это вызывает их укорочение и образование более коротких полимерных фрагментов.
2. Неоднородность инициирования. При термическом или фотохимическом инициировании возникает широкий спектр инициирующих центров с различной реакционной способностью. Некоторые центры будут запускать рост длинных полимерных цепей, в то время как другие приведут к образованию более коротких макромолекул.
В конечном продукте мы получаем не только желаемые полимерные цепи, но и значительное количество более коротких фрагментов. Это, безусловно, снижает качество и эксплуатационные свойства конечного полимерного материала. Присутствие таких коротких фрагментов ухудшает механические характеристики, термическую и химическую стойкость.
Поэтому крайне важно тщательно контролировать и оптимизировать условия полимеризации, чтобы минимизировать образование нежелательных коротких полимерных цепей и получать материалы с требуемыми свойствами.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИТЭ
ДЛЯ НАПРАВЛЕННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
В этом случае, энергия импульсов точно соответствует энергии разрыва пи-связей, не затрагивая при этом а-связи. Это позволяет получать полимерные молекулы заданной длины, которую можно контролировать путем изменения частоты следования импульсов. Более того, скорость данного процесса полимеризации возрастает в десятки и сотни раз по сравнению с традиционными методами. Таким образом, использование ИТЭ обеспечивает высокую эффективность и отсутствие побочных эффектов при полимеризации.
Ключевыми преимуществами применения ИТЭ в полимеризации являются:
• точное соответствие энергии импульсов энергии разрыва пи-связей;
• возможность контролировать длину полимерных цепочек;
• многократное ускорение процесса полимеризации;
• отсутствие побочных эффектов.
Длина волны регулируется фронтом нарастания импульса и соответствует длине волны де Бройля. Это
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
обеспечивает высокую избирательность и точность воздействия.
Действительно, использование ИТЭ позволяет достичь очень высокого контроля над процессом полимеризации и получать полимеры с точно заданными характеристиками. Это устраняет проблему образования широкого спектра молекулярных масс и коротких фрагментов, что было характерно для термических или фотохимических методов.
соку т.х
Рис. 2. Время полимеризации традиционным конвективным методом и ИТЭ
Такая возможность точного управления процессом полимеризации открывает широкие перспективы для получения высококачественных полимерных материалов с улучшенными физико-механическими свойствами. Это безусловно является важным преимуществом применения ИТЭ в промышленном производстве полимеров.
В работах [3-5] показано, что фотокатализатор на функциональной керамике, работающий по принципу ИТЭ, способен выделять водород из паров воды с эффективностью 95%. Введение этого катализатора в функциональную керамику в количестве 0,5-4% позволило проводить окрашивание по ржавчине и без обезжирования. Это связано с тем, что выделяющийся водород восстанавливает ржавчину до металла. Этому также способствуют мощные импульсы ИТЭ.
Масло, содержащее двойные пи-связи, может встраиваться в полимерную цепь с помощью импульсного туннельного эффекта (ИТЭ). Это позволяет проводить окраску деталей без предварительного обезжиривания. В результате, например, автомобильные покрытия, по-лимеризованные с использованием ИТЭ, обладают высокой эластичностью и микротвердостью. Такие покрытия устойчивы к царапинам и могут многократно изгибаться без растрескивания или отслаивания краски.
В настоящее время мы готовы вместе с нашими партнерами-специалистами по промышленным установкам разработать и построить новые сушилки для бамперов и других деталей. Основываясь на нашем опыте и научных результатах применения технологий ИТЭ первого поколения и ИТЭ второго поколения, мы сможем создать устройства, которые будут в 2-5 раз эффективнее, чем представленные на фотографиях 2008 г. (рис. 3).
Рис. 3. Цех окраски бамперов автомобилей на основе ИТЭ
Технологический принцип, заложенный в основу этих новых ИТЭ систем, кардинально отличается от предыдущих разработок. Он позволит достичь значительного повышения производительности и энергоэффективности технологического процесса.
Важное преимущество ИТЭ-полимеризации - возможность проводить процесс при обычной температуре, в отличие от традиционной термической полимеризации, которая требует нагрева до 200 °С и выдержки не менее 20 минут. Скорость полимеризации под воздействием ИТЭ сокращается в десятки раз по сравнению с термическими методами, что обеспечивает значительное повышение качества, производительности и экономичности (табл. 1).
Кроме того, ИТЭ-полимеризация позволяет наносить покрытия непосредственно на ржавые и маслянистые поверхности, существенно снижая затраты и воздействие на окружающую среду. Например, при окраске автомобилей время полимеризации сокращается с 20 минут до 35 секунд, а энергозатраты - с 10 кВт/ м2 до 0,4 кВт/м2. Это делает процесс более производительным и экологичным.
Таблица 1
Сравнение различных методов покраски по эффективности и качеству
Параметры Единицы Конвекция ИТЭ 2008 ИТЭ 2021
Время полимеризации Мин 20 5 1,5
Устройство Туннель Туннель 2D Туннель 3D
Энергозатраты кВт • ч 8,8 2,2 0,8
Качество покраски Хорошее Хорошее Отличное
Гибкость технологии Хорошая Хорошая Отличная
Таким образом, использование ИТЭ для полимеризации покрытий предоставляет ряд практических, экономических, экологических и качественных преимуществ, делая процесс более доступным, гибким и эффективным.
100 80 60 40 20 о
CONV
IR.X/P2
Листовые металлические материалы используются практически во всех сферах промышленного производства и в быту:
• автомобилестроение - кузовные панели, детали шасси, элементы интерьера;
• бытовая техника - корпуса холодильников, стиральных машин, посудомоечных машин и другой крупной бытовой техники;
• мебель - металлические корпуса и каркасы шкафов, сейфов, сундуков;
• строительство - кровельные покрытия, вентиляционные коллекторы, отделочные панели;
• упаковка - жестяные банки, крышки, тубы;
• электроника - корпуса и элементы корпусов для телевизоров, компьютеров, смартфонов;
• промышленное оборудование - емкости, резервуары, трубопроводы.
Таким образом, листовые металлические материалы находят широчайшее применение практически во всех отраслях современной промышленности и быта благодаря своим прочностным, технологическим и эстетическим свойствам.
Рис. 4. Устройство для локальной полимеризации
Применение порошковых красок является наиболее бурно развивающимся и технологически передовым способом окраски. Мировое потребление порошковых красок составляет около 2 млн т в год.
Использование технологии импульсного туннельного эффекта (ИТЭ) при нанесении порошковых красок позволяет существенно повысить энергоэффективность процесса. Применение ИТЭ обеспечивает экономию как минимум 2 кВт • ч на 1 м2 покрытия. В масштабах всего мира это соответствует общей экономии 20 ТВт • ч электроэнергии в год. Кроме того, использование ИТЭ снижает выбросы углекислого газа на 6 миллионов тонн в год.
Таким образом, технология импульсного туннельного эффекта демонстрирует высокую энергоэффективность и экологичность при нанесении порошковых красок, что делает ее ценным решением для современной промышленности.
Рис. 5. Соотношение расхода энергии и выделения СО2 между традиционной полимеризацией и ИТЭ для порошковых красок
Рис. 6. Экспериментальная установка для окраски листового материала методом ИТЭ
Применение ИТЭ открывает значительные возможности для повышения эффективности и качества различных химических процессов - от получения водорода до производства инновационных полимерных материалов. Данная технология позволяет достичь высокого контроля над протекающими реакциями и избежать многих ограничений традиционных методов. Очевидно, что это направление имеет большой потенциал для дальнейшего развития и внедрения в промышленность.
ИТЭ уже доказал свою эффективность в таких областях, как получение водорода из паров воды с высокой эффективностью, а также в создании инновационных лакокрасочных покрытий с улучшенными механическими свойствами. Эти примеры действительно впечатляют и демонстрируют большой потенциал ИТЭ.
Помимо металлических материалов, древесина также находит широкое применение в различных
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
отраслях промышленности и быта. Одной из важных областей использования древесины является ее окраска и защитная отделка.
Применение технологии импульсного туннельного эффекта (ИТЭ) при окраске изделий из древесины позволяет существенно улучшить качество и характеристики покрытия:
• надежная защита древесины от гниения, разрушения и внешних воздействий;
• получение презентабельного, эстетичного внешнего вида изделий;
• сокращение времени полимеризации красочного покрытия;
• значительное снижение энергозатрат на процесс окраски.
Использование ИТЭ обеспечивает экономию энергии в 20-25 раз на 1 м2 покрытия по сравнению с традиционными методами. Это особенно актуально для крупномасштабного производства изделий из древесины, где за счет применения ИТЭ достигается существенная экономия энергоресурсов.
Таким образом, применение передовой технологии импульсного туннельного эффекта позволяет повысить качество, энергоэффективность и экологич-ность процессов окраски и защитной отделки изделий из древесины.
100
80 60 40 20 0
CONV
IR.X/P2
Рис. 7. Соотношение расхода энергии и выделения СО2 при окраске дерева конвективным способом и ИТЭ
Таким образом, в результате проведенных испытаний, установлено, что полное время нанесения и полимеризации специального покрытия сократилось с 4-5 дней (согласно инструкции по применению компании Rema-Tip-Top) до 20-40 минут. По прочности и однородности полученного покрытия замечаний нет.
Проведены испытания полученного покрытия на коррозионную стойкость в рабочих условиях в отделении очистки газа сернокислотного цеха №4 медеплавильного завода, адгезию и старению с периодическим визуальным обследованием и толщинометрией слоя.
В настоящее время объекты с защитным корро-зионностойким покрытием, подвергшихся полимеризации облучением по предложенной технологии, находятся в среде слабой серной кислоты (до 10%), с содержанием хлора, фтора и мышьяка и технологи-
ческого газа с концентрацией SO2 до 12% об. с температурой до 60 °С. За этот период следов повреждения, отслоения, утоньшения покрытия и, соответственно, химической коррозии испытываемых защитных покрытий не обнаружено.
На основании проведенного анализа, необходимо развивать перспективные направления дальнейших исследований в области применения импульсного туннельного эффекта для полимеризации:
1) разработка функциональных керамических материалов-генераторов ИТЭ с заданными характеристиками импульсов для оптимизации различных полимеризационных процессов;
2) теоретическое моделирование механизмов взаимодействия ИТЭ с молекулами мономера и протекания полимеризации;
3) исследование влияния параметров импульса ИТЭ (мощности, частоты, фронта нарастания) на характеристики получаемых полимеров;
4) разработка ИТЭ-технологий получения функциональных и композиционных полимеров с заданными свойствами;
5) внедрение ИТЭ в производство конкретных полимерных материалов - от лакокрасочных покрытий до биоразлагаемых упаковок;
6) совершенствование методов напыления и нанесения катализаторов на основе функциональной керамики;
7) изучение синергетических эффектов комбинирования ИТЭ с другими факторами при полимеризации;
8) создание опытных образцов и испытания полученных полимеров в реальных условиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В работе рассмотрен вопрос возможностей применения импульсного туннельного эффекта (ИТЭ) для получения полимерных материалов. Проведен анализ основных полимеризацион-ных процессов, выявлены проблемы, связанные с применением традиционных технологий.
2. Показано, что ИТЭ обладает рядом преимуществ перед другими методами, которые могут быть использованы для создания более эффективных способов полимеризации. Особое внимание уделено возможности тонкой настройки энергетических параметров процесса с использованием ИТЭ.
3. Приведены примеры уже достигнутых успехов в использовании ИТЭ для таких процессов, как получение водорода и создание инновационных лакокрасочных покрытий. Демонстрируется, что ИТЭ позволяет существенно повысить качество и эффективность этих процессов.
4. В целом, работа демонстрирует высокий потенциал ИТЭ для создания инновационных
технологий полимеризации, обладающих целым рядом преимуществ перед традиционными подходами. Это открывает широкие возможности для дальнейших теоретических и прикладных исследований в данном направлении.
ВЫВОДЫ
1. Применение ИТЭ позволяет добиться высокой эффективности и селективности процессов полимеризации.
2. ИТЭ обеспечивает тонкий контроль энергетических параметров процесса и избирательное воздействие.
3. Использование ИТЭ устраняет многие недостатки традиционных технологий.
4. Возможно сокращение затрат, повышение производительности и улучшение качества полимеров.
5. ИТЭ имеет потенциал для расширения областей применения полимерных материалов.
6. Дальнейшая разработка технологий ИТЭ открывает новые возможности для создания ресурсосберегающих и экологичных процессов в химии и промышленности.
Литература
1. Rakhimov R.Kh. Possible mechanism of pulsed quantum tunneling effect in photocatalysts based on nanostructured functional ceramics // Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 26-34. DOI: 10.33693/2313- 223X-2023-10-3-26-34. EDN: QZQMCA.
2. Рахимов Р.Х. Импульсный туннельный эффект: фундаментальные основы и перспективы применения // Computational nanotechnology. 2024. Т. 11. № 1. С. 193-213. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-193-213. EDN: EWSBUT.
3. Рахимов Р.Х. Возможности импульсных преобразователей энергии в качестве фотокатализаторов в водородной энергетике // Сборник матер. III Междунар. конф. «Тенденции развития физики конденсированных сред», Фергана, 30-31 октября 2023 г. Фергана, 2023. С. 297-300.
4. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Перспективы солнечной энергетики: роль современных гелиотехнологий в производстве водорода // Computational Nanotechnology. 2023.
Т. 10. № 3. C. 11-25. DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-11-25. EDN: NQBORL.
5. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P., Rakhimov M.R. Synthesis of materials by the radiation method and their application // Applied Solar Energy. 2022. Vol. 58. No. 1. Pp. 165-171.
6. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П., Рахимов М.Р. Фононный механизм преобразования в керамических материалах // Computational Nanotechnology. 2017. № 4. C. 21-35.
7. Рахимов Р.Х. Большая солнечная печь // Computational Nanotechnology. 2019. № 2. С. 141-150.
8. Рахимов Р.Х., Саидов М.С., Ермаков В.П. Особенности синтеза функциональной керамики с комплексом заданных свойств радиационным методом. Ч. 5: Механизм генерации импульсов функциональной керамикой // Computational Nanotechnology. 2016. № 2. С. 81-93.
9. Rakhimov R.Kh. US patent No. 5.472.720 registration date 12/05/1995. Treatment of materials with infrared radiation (Co-author E.V. Kim).
10. Rakhimov R.Kh. US patent No. 5.350.927 registered on September 27, 1994. Radiation emitting ceramic materials and devices containing the same (Co-author E.V. Kim).
11. Rakhimov R.Kh. US patent No. US 6.200.501 B1 registration date 03/13/2001. Electroconductive ceramic material.
12. Rakhimov R.Kh. US patent No. US 6.251.306 B1 date of registration 06/26/2001. Infrared radiation emitting ceramic material.
13. Пиппард А. Физика колебаний / пер. с англ. М.: Высшая школа, 1989. 264 с.
14. Фоменко В.С. Эмиссионные свойства материалов: справочник. Киев: Наукова думка, 1970, 145 с.
15. Любин Г. Справочник по композиционным материалам. М.: Машиностроение, 1988. Т. 1. 448 с.; Т. 2. 584 с.
16. Левитин И.Б. Использование инфракрасной техники в народном хозяйстве Л., Энергоиздат, 1981. 264 с.
17. Рахимов Р.Х., Саидов М.С. Керамика с энергетическим барьером и двухимпульсное температурное излучение // Гелиотехника. 2002. № 3. С. 71-74.
18. Рахимов Р.Х. Принципы разработки материалов с комплексом заданных свойств при синтезе на БСП: матер. конф., посвященной 90-летию С.А. Азимова. Ташкент, 2004. С. 176-178.
19. Rachimov R.C., Ermakov V.P., John P., Rachimov M.R. Anwendung funktioneller keramiken für technologien des trocknens mit impuls-infrarot // Freiberger Forschungshefte. 2014. S. 1-44.
20. Rakhimov R.Kh., Saidov M.S. Development of ceramic coatings and application of their infrared radiation. Proceedings of the international conference "Renewable energy sources and solar materials science". Tashkent, 2005. Pp. 204-211.
HAHOTEXHOflOrMM M HAHOMATEPMAflbl NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-157-173
Features of the ITE-Based Polymerization Process
R.Kh. Rakhimov3 ©, V.P. Yermakovb ©
Institute of Materials Science of the SPA "Physics-Sun" of the Academy of Science of Uzbekistan, Tashkent, Republic of Uzbekistan
a E-mail: [email protected] b E-mail: [email protected]
Abstract. The article discusses the application of the pulsed tunnel effect for obtaining polymeric materials. The main polymerization processes are analyzed, as well as the disadvantages of traditional technologies. The advantages of using the pulse tunnel effect to increase the efficiency of polymerization are considered. Examples of successful application of the method for obtaining hydrogen and paint coatings are given. The prospects for further development of research in this area are considered, including the development of pulse generator materials and innovative polymeric materials.
Key words: pulse tunnel effect, polymerization, efficiency, physical properties, innovative technologies
FOR CITATION: Rakhimov R.Kh., Yermakov V.P. Features of the ITE-Based Polymerization Process. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 2. Pp. 157-173. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-157-173. EDN: MXFORZ
INTRODUCTION
Modern polymer materials have firmly integrated into all spheres of our life, significantly improving its quality. Due to their unique physicochemical properties, polymers have found widespread applications - from food packaging to components of high-tech electronics. Their use provides substantial benefits: increased durability of products, reduced production costs, reduced weight, increased resistance to aggressive environments, and environmental protection.
However, despite these undeniable advantages, existing methods of polymer synthesis have several fundamental drawbacks. The need to address these issues drives the development of new, more efficient polymerization technologies.
The necessity to improve polymerization methods is due to significant shortcomings of traditional approaches. The drive for innovation in polymerization is prompted by the fundamental limitations of conventional technologies. During polymerization, new bonds form between molecules, leading to the creation and growth of the polymer chain. Let's examine the process in more detail.
1. Initiation:
• thermal initiation: when heated, ethylene molecules break at the double pi-bond, forming two reactive radicals;
• photo-initiation (UV): UV radiation can also break the pi-bonds in ethylene molecules, generating free radicals to start the polymerization process.
2. Chain growth:
• the free radicals formed during the initiation stage attach to other ethylene molecules;
• new sigma bonds form between the reactive radical and the ethylene molecule;
• the polymer chain grows by sequentially adding new monomers.
3. Influence of catalysts:
• the use of catalysts (e.g., organometallic compounds) accelerates the polymerization process;
• catalysts lower the activation energy of the process, facilitating the breaking of pi-bonds and the formation of new sigma bonds.
Thus, pi-bonds, which break during the initiation stage, and sigma-bonds, which form between the reaction centers and monomer molecules during the growth of the polymer chain, play a crucial role in the polymerization of ethylene. Catalysts accelerate these processes, making polymerization more efficient.
A FEW WORDS ABOUT PI AND SIGMA BONDS
Pi bonds and sigma bonds are two primary types of covalent bonds formed between atoms in molecules. Sigma bond (a-bond):
• formation: a sigma bond is formed by the overlapping of atomic orbitals along the straight line connecting the nuclei of the atoms;
• strength: it is the strongest and most stable type of covalent bond;
• structural integrity: sigma bonds provide the structural integrity of most molecules;
• examples: bonds in H2, CH4, H2O molecules.
Pi bond (n-bond):
• formation: pi bonds are formed by the sideways overlapping of p-orbitals, perpendicular to the bond axis;
• strength: pi bonds are weaker than sigma bonds but play an important role in aromatic and conjugated systems;
• electron mobility: pi electrons are more mobile and delocalized throughout the system;
• examples: bonds in O2 molecules, C=C double bonds, benzene rings.
Key differences:
• geometry: sigma bonds are formed along the bond axis, while pi bonds are formed at a right angle to it;
• strength: sigma bonds are stronger than pi bonds;
• electron structure: sigma electrons are more localized, while pi electrons are more delocalized;
• role in molecular structure: sigma bonds provide the backbone, while pi bonds participate in conjugation and aromaticity.
Thus, sigma bonds and pi bonds are two fundamental types of covalent bonds that determine the structure and properties of molecules.
However, in reality, side processes also occur. Temperature is not concentrated in a narrow temperature zone but has a wide distribution over a broad area. This leads to regions capable of breaking already formed chains. The same applies to UV initiation.
In addition to the primary processes of initiation and chain growth during polymerization - not only of ethylene - it is also important to consider the side processes of polymer chain degradation.
1. Influence of Temperature. Indeed, during polymerization under the influence of temperature, not just one, but multiple initiating centers with different activation energies are formed. Besides the desirable breaking of pi-bonds in the monomer, higher temperatures can cause the breaking of already formed sigma-bonds in the polymer chain. This leads to the formation of shorter macromolecules -polymer degradation. Therefore, it is necessary to carefully control the temperature regime to minimize undesirable degradation processes.
2. Influence of UV Radiation. A similar situation is observed during the photo-initiation of polymerization using UV light. Along with the breaking of pi-bonds in the monomer, UV radiation can cause the breaking of sigma-bonds in the polymer chain. This leads to a reduction in the molecular weight of the polymer and a deterioration of its properties.
Thus, during polymerization, it is necessary to carefully control both the temperature regime and the energy of UV irradiation to prevent undesirable degradation processes of polymer chains.
During polymerization, it is crucial to carefully control not only the quantity but also the energetic characteristics of UV radiation to prevent excessive (quantum) energy that can lead to undesirable processes of polymer chain degradation. Similarly, it is necessary to maintain an optimal temperature regime rather than merely regulating the temperature.
Let's briefly review the main drawbacks of polymers, including paint coatings, produced using modern technologies.
Regarding the consequences of forming shorter fragments or breaks during traditional polymerization, I see several important points.
• Lower molecular mass: shorter polymer chains will have a lower molecular mass compared to the target long polymer chains. This can negatively affect the physicomechanical properties of the final polymer material, such as strength, elasticity, and thermal resistance.
• Processing difficulty: the presence of a large number of short fragments can lead to deteriorated processability of the polymer and difficulties in forming the final product.
• Increased mobility: short chains can be more mobile and prone to migration, which can cause issues with the durability and stability of finished products.
• Molecular mass distribution: the heterogeneity of molecular mass distribution can negatively impact the operational properties of the polymer.
Overall, the formation of a significant number of short polymer fragments during traditional polymerization is an undesirable factor that requires optimizing process conditions to obtain a more homogeneous and high-molecular-weight polymer structure. Controlling the molecular mass distribution is very important for improving the properties of the final polymer materials.
Low Resistance to Solar Radiation and Rapid Degradation: The low resistance to solar radiation and the rapid degradation of short polymer fragments are indeed serious problems.
In addition to deteriorating physicomechanical properties, this can lead to the formation of harmful polymer dust, which negatively impacts health and the environment. This is indeed critical.
Some other objects that can be seriously affected by the accumulation of such dust include:
• high-precision measuring instruments and sensors;
• electronic and optoelectronic equipment;
• ventilation and air conditioning systems;
• bearings and mechanisms with precise clearances;
• cooling systems for power electronics;
• photovoltaic elements of solar panels;
• complex medical devices and laboratory equipment;
• high-voltage apparatus and power devices -the accumulation of polymer dust can lead to corona discharges, short circuits, and equipment failures;
• water systems and reservoirs - polymer dust can contaminate water, clog filters, and disrupt the operation of water treatment facilities;
• ventilation and air conditioning systems - dust can settle on filters and heat exchangers, causing reduced efficiency and breakdowns.
In addition to technical systems, polymer dust can negatively affect air and water quality, which is extremely
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
important for human health and the entire ecosystem as a whole.
This truly demonstrates how serious the consequences of forming a large number of short polymer fragments during traditional polymerization can be. Control of molecular mass distribution and minimization of the formation of such short chains are of paramount importance.
The impact of polymer dust from material degradation on marine and ocean ecosystems is also critical.
• Seas and oceans: dust and microparticles can enter water bodies, accumulate in sediments, and pollute the water.
• Marine animals: these microplastics can be mistakenly ingested by marine inhabitants, harming their health and food chains. The impact on marine ecosystems is an extremely important aspect that cannot be overlooked. Considering the impact on all components of the environment, including water systems, is crucial when developing and applying polymer materials.
• Marine flora: polymer dust can settle on aquatic plants, disrupting their life processes.
• Fisheries and Aquaculture: pollution can lead to reduced productivity of water bodies and lower quality of farmed products.
Low reliability and short lifespan of products:
• rapid degradation of greenhouses, protective coatings, painted items, etc.;
• loss of marketable appearance, corrosion, destruction of products, and industrial accidents due to compromised protective properties.
Increase in mixed waste volume:
• growth in the amount of polymer waste, mixed with degraded devices;
• pollution of oceans, natural areas, and human living spaces.
Environmental damage:
• accumulation of non-degradable polymer fragments in the environment;
• negative impact on flora and fauna, especially marine ecosystems.
Economic losses:
• shortened lifespan of products, leading to more frequent replacements;
• increased costs for disposal and recycling of mixed waste.
Social costs:
• health deterioration due to environmental pollution from polymer waste;
• decline in the quality of living environments—pollution of natural areas and living spaces;
• industrial accidents leading to social consequences;
• increased social tension and conflicts related to resource scarcity and environmental degradation.
Thus, the use of low-quality polymers leads to a whole range of negative environmental, economic and social consequences - from deterioration in human health to the death of animals and plants. A comprehensive consideration of these risks is extremely important for
making informed decisions in this area. Only an integrated approach can ensure minimization of damage and transition to the sustainable use of polymer materials.
When plastics are burned, an extremely dangerous substance is released - dioxin.
Dioxin is an extremely toxic compound that has harmful effects on human health and the environment. It is one of the most toxic substances known to mankind, is highly carcinogenic and can cause severe diseases such as cancer, developmental and reproductive disorders, and damage to the immune system.
Dioxin is very stable in the environment and accumulates in living organisms, entering the human body through the food chain. Even small doses of dioxin pose a great health hazard.
The release of dioxin into the environment, especially into aquatic ecosystems, causes enormous damage to flora and fauna, causing massive death of living organisms.
Thus, the release of dioxin from the combustion of plastics is one of the most serious risks that requires close attention when handling polymer materials. The use of high-quality, durable polymer materials is critical to reducing negative impacts on both consumers and the environment as a whole.
IMPULSE TUNNELING EFFECT (ITE)
Impulse Tunneling Effect (ITE) is a quantum mechanical phenomenon wherein a particle or wave can overcome a potential barrier by accumulating significant momentum energy.
According to de Broglie's hypothesis, the momentum of any type defines its wavelength by the formula
h, p
where A - wavelength;
h - Planck constant; p - the momentum of the object.
When a large amount of momentum energy is accumulated, for example, in the form of photons, the particle's wavelength significantly decreases.
These short-wavelength particles can tunnel through the potential barrier, overcoming it even with energy lower than the height of the barrier itself. Unlike the standard tunneling effect, ITE uses all the photons that hit the functional ceramics, converting them to the required wavelength. Thus, ITE allows for efficient use of radiation energy by focusing the momentum, exceeding the effective energy of the photons over their actual energy.
Furthermore, ITE provides a very narrow energy range associated with the rise front of the momentum. By precisely tuning the momentum front to match the energy of the target process, ITE operates highly selectively, directing all the impulse energy into the necessary narrow range. This allows for maximum efficiency of the selected processes
by optimally matching the impulse characteristics with the required energy [1; 2].
Key points distinguishing ITE from standard tunneling effect:
1) utilization of all incoming photons, converting them to the required wavelength;
2) high efficiency of energy use by focusing the momentum;
3) high selectivity due to the ability to precisely tune the impulse front to the required energy of the process.
Combining these features allows ITE to achieve maximum efficiency in various practical applications.
APPLICATION OF ITE IN POLYMERIZATION
The use of the Impulse Tunneling Effect generated by functional ceramics can indeed be a very promising approach to obtaining high-quality polymers with much lower resource costs:
The application of ITE allows for significantly reducing energy, material, and other resource costs for many processes, including polymerization, by tens and hundreds of times. This will substantially increase the economic efficiency and environmental friendliness of the process.
There is no longer a need for labor-intensive and resource-consuming operations such as phosphating objects during painting, rust removal, and degreasing. These are among the most expensive and environmentally harmful technological operations. ITE ensures the embedding of fats directly into the polymer chain.
At the same time, the quality of the resulting polymers increases several times in key parameters. This significantly expands the possibilities for their application.
Fig. 1. Laboratory setup of ITE for polymerization
Such an innovative approach indeed looks very promising for the production of high-quality polymer materials with a substantial reduction in the environmental impact and resource intensity of the process. The implementation of such technologies can become an important step towards the sustainable development of the polymer industry.
This is very important for the correct understanding of the mechanisms of polymerization reactions using ITE.
A key advantage of ITE is the ability to precisely control and maintain the required level of quantum energy necessary to initiate and sustain the polymerization process. This allows for the elimination of excess energy that could lead to the breaking of covalent bonds in the polymer chain and unwanted degradation.
Due to this capability of precise management of energy parameters, ITE ensures high efficiency of polymerization without side processes of polymer chain breakage. This is a significant advantage over other methods, where it is more challenging to achieve such strict control of the process's energy. In traditional technology, we obtain not only the desired polymer length but also numerous fragments of various molecular weights, which greatly reduce the quality of the final material.
Thus, in traditional polymerization, a significant amount of shorter fragments or broken polymer chains is formed. This occurs due to two main reasons.
1. Destruction of polymer chains. As discussed earlier, excess energy from thermal impact or UV radiation can lead to the breaking of already formed sigma bonds in polymer chains. This causes their shortening and the formation of shorter polymer fragments.
2. Inhomogeneity of initiation. In thermal or photochemical initiation, a wide range of initiating centers with different reactivity is formed. Some centers will initiate the growth of long polymer chains, while others will lead to the formation of shorter macromolecules.
In the final product, we obtain not only the desired polymer chains but also a significant amount of shorter fragments. This undoubtedly reduces the quality and performance properties of the final polymer material. The presence of such short fragments deteriorates mechanical characteristics, thermal and chemical resistance.
Therefore, it is crucial to carefully control and optimize polymerization conditions to minimize the formation of unwanted short polymer chains and obtain materials with the required properties.
ADVANTAGES OF ITE
FOR DIRECTED POLYMERIZATION
In this case, the energy of the impulses precisely matches the energy required to break pi bonds, without affecting the sigma bonds. This allows for the production of polymer molecules of a specified length, which can be controlled by changing the pulse frequency. Moreover, the speed of this polymerization process increases tens to hundreds of times compared to traditional methods. Thus, the use of ITE ensures high efficiency and the absence of side effects during polymerization.
Key advantages of using ITE in polymerization: • precise matching of impulse energy to the energy required to break pi bonds$
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
• ability to control the length of polymer chains$
• significant acceleration of the polymerization process$
• absence of side effects.
The wavelength is regulated by the rise front of the impulse and corresponds to the de Broglie wavelength. This ensures high selectivity and precision of the impact.
Indeed, the use of ITE allows for very high control over the polymerization process, producing polymers with precisely defined characteristics. This eliminates the problem of forming a wide range of molecular masses and short fragments, which was characteristic of thermal or photochemical methods.
CONV IR.X
Fig. 2. Polymerization time by traditional convective method and ITE
This possibility of precise control of the polymerization process opens up broad prospects for obtaining high-quality polymer materials with improved physical and mechanical properties. This is certainly an important advantage of using ITE in industrial polymer production.
In works [3-5] it is shown that a photocatalyst on functional ceramics, operating on the ITE principle, is capable of releasing hydrogen from water vapor with an efficiency of 95%. The introduction of this catalyst into functional ceramics in an amount of 0.5-4% made it possible to paint on rust without degreasing. This is due to the fact that the released hydrogen reduces rust to metal. This is also facilitated by powerful ITE pulses.
Oil containing double pi-bonds can be built into the polymer chain using the pulse tunnel effect (ITE). This allows painting parts without preliminary degreasing. As a result, for example, automobile coatings polymerized using ITE have high elasticity and microhardness. These coatings are scratch resistant and can be bent repeatedly without cracking or peeling paint.
We are currently ready to develop and build new dryers for bumpers and other parts together with our partners who specialize in industrial installations. Based on our experience and scientific results of applying firstgeneration ITE and second-generation ITE technologies, we will be able to create devices that will be 2-5 times more efficient than those shown in the 2008 photographs (Fig. 3).
Fig. 3. Car bumper painting shop based on ITE
The technological principle underlying these new ITE systems is fundamentally different from previous developments. It will allow achieving a significant increase in the productivity and energy efficiency of the technological process.
An important advantage of ITE polymerization is the ability to carry out the process at normal temperatures, unlike traditional thermal polymerization, which requires heating to 200 °C and holding for at least 20 minutes. The polymerization rate under the influence of ITE is reduced by tens of times compared to thermal methods, which ensures a significant increase in quality, productivity and cost-effectiveness (Table 1).
In addition, ITE polymerization allows coatings to be applied directly to rusty and oily surfaces, significantly reducing costs and environmental impact. For example, when painting cars, polymerization time is reduced from 20 minutes to 35 seconds, and energy costs are reduced from 10 kW/m2 to 0.4 kW/m2. This makes the process more productive and environmentally friendly.
Thus, the use of ITE for polymerization of coatings provides a number of practical, economic, environmental and quality advantages, making the process more accessible, flexible and efficient.
Table 1
Parameter Units Convection ITE 2008 ITE 2021
Polymerization time min 20 5 1,5
Device Tunnel Tunnel 2-D Tunnel 3-D
Cost for Energy kW • h 8,8 2,2 0,8
Quality of painting Good Good Excellent
flexibility of technology Good Good Excellent
Comparison of different painting methods by efficiency and quality
100 80 60 40 20 0
CONY
IR.X/P2
• household appliances - refrigerator cases, washing machines, dishwashers and other large household appliances;
• furniture - metal cases and frames of cabinets, safes, chests;
• construction - roofing, ventilation manifolds, finishing panels;
• packaging - tin cans, lids, tubes;
• electronics - cases and case elements for TVs, computers, smartphones;
• industrial equipment - tanks, reservoirs, pipelines.
Thus, sheet metal materials are widely used in almost all branches of modern industry and everyday life due to their strength, technological and aesthetic properties.
Fig. 4. Device for local polymerization
Powder coating is the fastest growing and most technologically advanced method of painting. World consumption of powder coating is about 2 million tons per year.
Using the pulse tunnel effect (PTE) technology in powder coating allows to significantly increase the energy efficiency of the process. The use of PTE provides savings of at least 2 kW • h per 1 m2 of coating. On a global scale, this corresponds to a total saving of 20 TW • h of electricity per year. In addition, the use of PTE reduces carbon dioxide emissions by 6 million tons per year.
Thus, the PTE technology demonstrates high energy efficiency and environmental friendliness in the application of powder coatings, which makes it a valuable solution for modern industry.
Fig. 5. The relationship between energy consumption and CO2 emission between traditional polymerization and ITE for powder coatings
Sheet metal materials are used in almost all areas of industrial production and in everyday life: • automotive industry - body panels, chassis parts, interior elements;
Fig. 6. Experimental setup for painting sheet material using the ITE method
The use of ITE opens up significant opportunities for improving the efficiency and quality of various chemical processes - from hydrogen production to the production of innovative polymeric materials. This technology allows for high control over the reactions taking place and avoids many of the limitations of traditional methods. It is obvious that this area has great potential for further development and implementation in industry.
ITE has already proven its effectiveness in areas such as highly efficient hydrogen production from water vapor, as well as in the creation of innovative paint and varnish coatings with improved mechanical properties. These examples are truly impressive and demonstrate the great potential of ITE.
In addition to metal materials, wood is also widely used in various industries and everyday life. One of the important areas of wood use is its painting and protective finishing.
The use of pulsed tunnel effect (ITE) technology in painting wood products can significantly improve the quality and characteristics of the coating:
• reliable protection of wood from decay, destruction and external influences;
• obtaining a presentable, aesthetic appearance of products;
• reducing the polymerization time of the paint coating;
• significant reduction in energy costs for the painting process.
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
The use of ITE provides energy savings of 20-25 times per 1 m2 of coating compared to traditional methods. This is especially relevant for large-scale production of wood products, where significant energy savings are achieved due to the use of ITE.
Thus, the use of advanced pulse tunnel effect technology allows to improve the quality, energy efficiency and environmental friendliness of the processes of painting
and protective finishing of wood products. %
CONV IR.X/P2
Fig. 7. The ratio of energy consumption and CO2 emission during wood painting using the convective method and ITE
Thus, as a result of the tests, it was established that the total time of application and polymerization of the special coating was reduced from 4-5 days (according to the instructions for use of the Rema-Tip-Top company) to 20-40 minutes. There are no comments on the strength and homogeneity of the resulting coating.
The coating was tested for corrosion resistance under operating conditions in the gas cleaning department of sulfuric acid shop No. 4 of the copper smelter, adhesion and aging with periodic visual inspection and layer thickness measurement.
Currently, objects with a protective corrosion-resistant coating, subjected to polymerization by irradiation using the proposed technology, are in a medium of weak sulfuric acid (up to 10%), with a content of chlorine, fluorine and arsenic and process gas with a concentration of SO2 up to 12% vol. with a temperature of up to 60 °C. During this period, no traces of damage, peeling, thinning of the coating and, accordingly, chemical corrosion of the tested protective coatings were detected.
Based on the analysis conducted, it is necessary to develop the following promising areas of further research in the field of using the pulse tunnel effect for polymerization:
1) development of functional ceramic materialsgenerators of ITE with specified pulse characteristics for optimization of various polymerization processes;
2) theoretical modeling of the mechanisms of interaction of ITE with monomer molecules and polymerization;
3) study of the influence of ITE pulse parameters (power, frequency, rise front) on the characteristics of the obtained polymers;
4) development of ITE technologies for obtaining functional and composite polymers with specified properties;
5) introduction of ITE in the production of specific polymeric materials - from paint and varnish coatings to biodegradable packaging;
6) improvement of methods of spraying and applying catalysts based on functional ceramics;
7) study of the synergistic effects of combining ITE with other factors during polymerization;
8) creation of prototypes and testing of the obtained polymers under real conditions.
CONCLUSION
1. The paper considers the possibility of using the pulse tunnel effect (ITE) to obtain polymeric materials. The main polymerization processes are analyzed, and problems associated with the use of traditional technologies are identified.
2. It is shown that ITE has a number of advantages over other methods that can be used to create more efficient polymerization methods. Particular attention is paid to the possibility of fine-tuning the energy parameters of the process using ITE.
3. Examples of successes already achieved in using ITE for such processes as hydrogen production and the creation of innovative paint and varnish coatings are given. It is demonstrated that ITE can significantly improve the quality and efficiency of these processes.
4. In general, the work demonstrates the high potential of ITE for creating innovative polymerization technologies that have a number of advantages over traditional approaches. This opens up broad opportunities for further theoretical and applied research in this area.
FINDINGS
1. The use of ITE allows achieving high efficiency and selectivity of polymerization processes.
2. ITE provides fine control of the energy parameters of the process and selective action.
3. The use of ITE eliminates many of the disadvantages of traditional technologies.
4. It is possible to reduce costs, increase productivity and improve the quality of polymers.
5. ITE has the potential to expand the areas of application of polymer materials.
6. Further development of ITE technologies opens up new opportunities for the creation of resource-saving and environmentally friendly processes in chemistry and industry.
References
1. Rakhimov R.Kh. Possible mechanism of pulsed quantum tunneling effect in photocatalysts based on nanostructured functional ceramics. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 26-34. DOI: 10.33693/2313- 223X-2023-10-3-26-34. EDN: QZQMCA.
2. Rakhimov R.Kh. Pulsed tunneling effect: Fundamentals and application prospects. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 1. Pp. 193-213. (In Rus.). DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11- 1-193-213. EDN: EWSBUT.
3. Rakhimov R.Kh. Possibilities of pulsed energy converters as photocatalysts in hydrogen energy. Proceedings of the III International Conference "Trends in the Development of Condensed Matter Physics", Fergana, October 30-31, 2023. Fergana, 2023. Pp. 297-300.
4. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P. Prospects of solar energy: The role of modern solar technologies in hydrogen production. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 11-25. (In Rus.). DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-11-25. EDN: NQBORL.
5. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P., Rakhimov M.R. Synthesis of materials by the radiation method and their application. Applied Solar Energy. 2022. Vol. 58. No. 1. Pp. 165-171.
6. Rakhimov R.Kh., Ermakov V.P., Rakhimov M.R. Phonon mechanism of transformation in ceramic materials. Computational Nanotechnology. 2017. No. 4. Pp. 21-35. (In Rus.)
7. Rakhimov R.Kh. Big solar furnace. Computational Nanotechnology. 2019. No. 2. Pp. 141-150. (In Rus.)
8. Rakhimov R.Kh., Saidov M.S., Ermakov V.P. Features of the synthesis of functional ceramics with a set of specified properties by the radiation method. Part 5: Mechanism of pulse generation by functional ceramics. Computational Nanotechnology. 2016. No. 2. Pp. 81-93. (In Rus.)
9. Rakhimov R.Kh. US patent No. 5.472.720 registration date 12/05/1995. Treatment of materials with infrared radiation (Co-author E.V. Kim).
10. Rakhimov R.Kh. US patent No. 5.350.927 registered on September 27, 1994. Radiation emitting ceramic materials and devices containing the same (Co-author E.V. Kim).
11. Rakhimov R.Kh. US patent No. US 6.200.501 B1 registration date 03/13/2001. Electroconductive ceramic material.
12. Rakhimov R.Kh. US patent No. US 6.251.306 B1 date of registration 06/26/2001. Infrared radiation emitting ceramic material.
13. Pippard A. Physics of oscillations. Transl. from English. Moscow: Higher School, 1989. 264 p.
14. Fomenko V.S. Emission properties of materials. Handbook. Kiev: Naukova Dumka, 1970. 145 p.
15. Lyubin G. Handbook of composite materials. Moscow: Engineering, 1988. Vol. 1. 448 p.; Vol. 2. 584 p.
16. Levitin I.B. Use of infrared technology in the national economy Leningrad, Energoizdat, 1981. P. 264.
17. Rakhimov R.Kh., Saidov M.S. Ceramics with an energy barrier and two-pulse temperature radiation. Heliotechnics. 2002. No. 3. Pp. 71-74. (In Rus.)
18. Rakhimov R.Kh. Principles of development of materials with a set of specified properties during synthesis on BSP. Proceedings of the conference dedicated to the 90th anniversary of S.A. Azimov. Tashkent, 2004. Pp. 176-178.
19. Rachimov R.C., Ermakov V.P., John P., Rachimov M.R. Application of ceramic functionalities for thermal shock technologies with pulsed infrared. In: Freiberger Forschungshefte. 2014. Pp. 1-44.
20. Rakhimov R.Kh., Saidov M.S. Development of ceramic coatings and application of their infrared radiation. Proceedings of the international conference "Renewable energy sources and solar materials science". Tashkent, 2005. Pp. 204-211.
Статья проверена программой Антиплагиат
Рецензент: Раджапов С.А., доктор физико-математических наук; главный научный сотрудник, лаборатория полупроводниковых высокочувствительных датчиков; Физико-технический институт Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан
Статья поступила в редакцию 10.05.2024, принята к публикации 12.06.2024 The article was received on 10.05.2024, accepted for publication 12.06.2024
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук; заведующий, лаборатория № 1; Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан; г. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: 0000-0001-6964-9260; Author ID: 1204344; SPIN-код: 3026-2619; E-mail: [email protected] Ермаков Владимир Петрович, старший научный сотрудник, лаборатория № 1; Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан; г. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: 00000002-0632-6680; Author ID: 206572; SPIN-код: 89071685; E-mail: [email protected]
ABOUT THE AUTHORS
Rustam Kh. Rakhimov, Dr. Sci. (Eng.); Head, Laboratory No. 1; Institute of Materials Science of the SPA "Physics-Sun" of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan; Institute of Renewable Energy Sources; Tashkent, Republic of Uzbekistan. ORCID: 0000-0001-6964-9260; Author ID: 1204344; SPIN-code: 3026-2619; E-mail: [email protected]
Vladimir P. Yermakov, senior research, Laboratory No. 1; Institute of Materials Science of the Academy of Science of Uzbekistan; Tashkent, Republic of Uzbekistan. ORCID: 0000-0002-0632-6680; Author ID: 206572; SPIN-code: 8907-1685; E-mail: [email protected]
