Размол как механохимический процесс. Математическое моделирование Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

lw, (кг/c м2 )

Рис. 3. Удельный расход воды, выделившейся из паровой смеси при ее частичной конденсации на поверхности дефлегматора, в зависимости от расхода конденсата. Экспериментальные точки (1-4): 1 - Хс = 6 мас. %; 2 - 15 мас. %; 3 - 35 мас. %; 4 - 51 мас. %

References

1. Olevskij V. M., Ruchinskij V. R., Kashnikov A. M., Chernyshev V. I. Plenochnaja teplo- i massoobmennaja apparatura [Film Heat and Mass Transfer Equipment]. M. : Himija, 1988. 240 s.

2. Rukovodstvo po laboratornoj peregonke : Per. s nem [Guidelines for laboratory distillation] / Pod red. Olevskogo V. M. M. : Himija, 1980. 520 s.

3. Patent 2437698 RF. Sposob rektifikacii [The process of rectification] / Vojnov N. A., Pan'kov V. A, Vojnov A. N. // Bjul. 2011. № 36. 7 c.

4. Patent 2445996 RF. Rektifikacionnaja kolonna [Distillation column] / Vojnov N. A., Pan'kov V. A., Vojnov A. N // Bjul. 2012. № 9. 6 c.

5. Vojnov N. A., Nikolaev A. N. Teplos'em pri plenochnom techenii zhidkosti [The output power at the film flow of liquid]. Borges, 2005. 123 s.

© 3eM^B A., BOHHOB H. A., 3eM^Ba H. B., 2016

УДК 543.878:541.127:519.2

РАЗМОЛ КАК МЕХАНОХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

В. Р. Пен, С. И. Левченко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Показано, что представление процесса размола как механохимического позволяет сформулировать математическую модель динамики на основе принципов формальной кинетики, что позволяет получить замкнутое математическое описание динамики размола волокнистых полуфабрикатов.

Ключевые слова: размол, динамика размола, кинетика химическая.

MATHEMATICAL MODELING OF GRIND AS MECHANOCHEMICAL PROCESS

V. R. Pen, S. I. Levchenko

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

The article describes how the presentation of the grind as the mechanochemical process allows to derive a mathematical model of the dynamics based on the principles of the formal kinetics. That, in turn, allows to derive the self-contained mathematical description of the grind dynamics of the fibrous semi-finished products.

Keywords: Grind, grind dynamics, chemical kinetics.

<Тешетневс^ие чтения. 2016

Введение. Термин «механохимия» впервые введен Оствальдом в работе «Книга по общей химии». В последней он рассматривал различные методы инициирования химических процессов [1]. Этот термин относится к процессам, в том числе и химическим реакциям, инициированным любого типа механической обработкой. Сложились направления, которые условно можно разбить на исследование влияния предварительной механической обработки на реакционную способность - механическую активацию, и изучение реакций, протекающих в условиях механической активации - механосинтез.

При размоле целлюлозы механические процессы вызывают измельчение волокон и обусловливают структуру бумаги, а коллоидно-физические явления, происходящие в результате взаимодействия воды и целлюлозы, - связь волокон в бумаге. Размол целлюлозных волокон можно условно разделить на четыре стадии [2-7].

Таким образом, размол можно отнести к такому направлению механохимии, как механическая активация, результатом которой является подготовка поверхности целлюлозы к образованию межволоконных связей, приданию волокнам свойства связываться между собой в прочный бумажный лист.

Результаты и обсуждение. Исходя из представления о размоле как о механохимическом процессе, динамику размола можно представить, по аналогии с формальной кинетикой, следующей кинетической схемой:

A ——^ B ——^ C ——^ D ——^ E,

dA dt dB dt

— = K2 B — K3C, dt

= — K.

= K1 A — K 2 B,

dD dt dE dt

= K3C — K4 D, = K4 D.

S0 = S00 + rAA + rBB + rCC +

+rDD + rEE + R(A,B, C, D, E) .

Здесь Ш( А, В, С, О, Е) - часть ряда, содержащая степени независимых переменных выше первой. В линейном приближении можно считать Ш(А, В, С, О, Е) = 0. Тогда

(4)

S0 = S° + raA + rBB + rrC + rnD + r„E .

(4)

Соответственно, объединяя решение системы (2) с

S0 = Const0 + Const^" + Const2e_k 2t + +Const3e"k3t + Const4e"k4t.

(1)

которой соответствует выписанная ниже система дифференциальных уравнений, моделирующих динамику размола. Здесь А, В, С, В, Е - степени превращения волокна на соответствующей стадии процесса.

(2)

Начальные условия: А(0) = А0; В(0) = 0; С(0) = 0; 0(0) = 0; Е(0) = 0.

В эксперименте, как правило, наблюдается зависимость степени помола, выраженная в градусах помола, от времени. Полагая, что градус помола 5 есть непрерывная функция от степени превращения на каждой из стадий изменения волокна при размоле, можно, очевидно, представить эту функцию в виде разложения в степенной ряд в окрестностях нуля:

(3)

(5)

где Const; есть комбинации из эффективных «констант» динамики размола ki для каждой стадии процесса, начальных условий и постоянных системы (2). Составляя функционал невязки для представленного уравнения и экспериментальных данных и решая соответствующую экстремальную задачу оказывается возможным найти значения входящих в (15) констант Consti .

Таким образом, представление размола как механо-химического процесса позволяет подойти к его моделированию на основе принципов формальной кинетики с получением замкнутого математического описания в виде системы дифференциальных уравнений динамики.

Библиографические ссылки

1. Ostwald W. Lehrbuch der allgemeinen Chemie. Bd. 2 Stochiometrie. Leipzig : Engelmann, 1981. 1163 s.

2. Иванов, С. Н. Технология бумаги. 3-е изд. М. : Школа бумаги, 2006. С. 23; 36-39; 42; 57; 59; 68-69; 382-384. ISBN 5-86472-161-1.

3. Paulapuro H., Lumiainen J. Papermaking science and technology. Book 8. Papermaking. Part 1. Stock preparation and wet end, chapter four, refining of chemical pulp. Otaniemi, 2000. P. 87-97; 105; 106; 115117; 194-206. ISBN: 952-5216-08-X.

4. Batchelor W. J., Kure K. A., Ouellet D. Refining and the development of fibre properties // Nordic pulp & paper research journal. 1999. Vol. 14, № 4. P. 285-286.

5. Технология целлюлозно-бумажного производства. Т. 2, ч. 1. Технология производства и обработки бумаги и картона / ВНИИБ. СПб. : Политехника, 2005. С. 36-37.

6. Акулов Б. В., Ермаков. С. Г. Производство бумаги и картона : учеб. пособие. Пермь : Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. С. 33; 35.

7. Легоцкий C. C., Гончаров B. H. Размалывающее оборудование и подготовка бумажной массы // Лесная промышленность. 1990. С. 6-7.

References

1. Ostwald W. Lehrbuch der allgemeinen Chemie. Bd. 2 Stochiometrie. Leipzig: Engelmann, 1981. 1163 s.

2. Ivanov S. N. Paper technology, 3-d ed. "Paper School". Moscow, 2006. Pp. 23; 36-39; 42; 57; 59; 68-69; 382-384. ISBN 5-86472-161-1.

3. Paulapuro H., Lumiainen J. Papermaking science and technology, Book 8, Papermaking: part 1, stock preparation and wet end, chapter four, refining of

chemical pulp. ISBN: 952-5216-08-X, Otaniemi, 2000. Pp. 87-97, 105, 106, 115-117, 194-206.

4. Batchelor W. J., Kure K. A., Ouellet D. Refining and the development of fibre properties // Nordic pulp & paper research journal. Vol. 14, № 4, 1999. Pp. 285-286.

5. Technology of cellulose-paper production, volume 2, part 1, technology of paper production and processing, VNIIB, "Polytechnic" publishing house, Saint-Petersburg, 2005. Pp. 36-37.

6. B. V. Akulov et al., Production of paper and cardboard. Published in Perm's state technical university, Perm-city, 2010. Pp. 33-35.

7. Legotsky S. S., Goncharov V. N. Grinding machinery and preparation of the paper mass. "Timber industry", Moscow, 1990, рp. 6-7.

© Пен В. P., Левченко С. И., 2016

УДК 547

ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ БИОСОВМЕСТИМЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИМПЛАНТЫ

У. С. Рыбакова, С. С. Ивасев, Д. В. Раводина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассмотрена актуальность биосовместимых покрытий на импланты. Анализируется технология их создания.

Ключевые слова: импланты, биосовместимость, микродуговое оксидирование, гидроксиапатит, композиционные покрытия, медицина.

TECHNOLOGIES OF CREATING BIOCOMPATIBLE COATINGS TO IMPLANTS

U. S. Rybakova, S. S. Ivasev, D. V. Ravodina

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

Relevance of biocompatible coverings to implants is considered. The technology of their creation is analyzed. Keywords: Implants, biocompatibility, microarc oxidation , hydroxyapatite , composite coatings , medicine.

В современной медицинской практике для замены поврежденных или дефектных участков ткани широко используются имплантаты из титана или титановых сплавов, являющихся биоинертными материалами, но у 5-10 % пациентов происходит отторжение подобных имплантов. В связи с этим актуальной задачей является увеличение биосовместимости им-плантов. Разработка технологии нанесения биосовместимого покрытия на титановые импланты предполагает внедрение в структуру оксидного покрытия титанового импланта гидроксиапатита, увеличивающего степень остеоинтеграциии имплантов.

Гидроксиапатит - это минерал Са10(РО4)6(ОН)2 из группы апатита, гидроксильный аналог фторапатита Са5(Р04)^ и хлорапатита Са5(Р04)3С1. Является основной минеральной составляющей костей (около 50 % от общей массы кости) и зубов (96 % в эмали). Комбинация «имплантат + биосовместимое покрытие» позволяет объединить высокие механические свойства материала основы и биологические качества покрытия, которые придают поверхности имплантата свойства, максимально приближенные к свойствам

костной ткани, что улучшает способность имплантата интегрироваться с организмом.

Известны работы по увеличение биосовместимости титана, использующие нанесение плазменных покрытий, содержащий гидроксиапатит [1]. В настоящее время идет поиск новых технологических решений создания биосовместимой шероховатой поверхности на им-плантатах, обеспечивающей надежную интеграцию им-плантата в костной ткани. Существующие технологии не в полной мере не удовлетворяют современным медицинским требованиям. Эта проблема решается применением различных методов формирования покрытий:

- плазменное напыление - процесс нанесения покрытия на поверхность изделия с помощью плазменной струи;

- метод микродугового оксидирования - электрохимический процесс модификации (окисления) поверхности вентильных металлов и их сплавов в электролитной плазме с целью получения оксидных слоев (покрытий);

- золь-гель или шликерный метод - технология материалов, в том числе наноматериалов, включаю-