CC BY
63
УДК 543.544-414, 620.17
СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОРБИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЦЕОЛИТА NaX И ФТОРОПЛАСТА Ф42В
© В.В. Родаев, В.М. Васюков
Ключевые слова: поглотитель; сорбент; цеолит; пористость.
Статья посвящена исследованию морфологии, прочности и пластичности поглотителя на основе кристаллического цеолита NaX и фторопласта Ф42В в качестве связующего материала.
Нанотехнологии - это технологии, направленные на получение и использование веществ и материалов, структурные элементы которых имеют размеры (хотя бы в одном измерении) не более 100 нм [1]. Малые размеры, высокое значение химического потенциала, большая удельная поверхность обусловливают повышенную реакционную, химическую, каталитическую активность, а также проникающую способность нанообъектов. Например, наночастицы могут связываться с нуклеиновыми кислотами, белками, встраиваться в мембраны, проникать в клеточные органеллы, изменяя функции биоструктур [2]. Зачастую нанообъекты не распознаются иммунной системой, не подвергаются биотрансформации, в результате чего они не выводятся из организма и аккумулируются в нем.
Совокупность изложенных фактов свидетельствует о том, что наночастицы обладают совершенно иными физико-химическими свойствами и биологическим (в т. ч. токсическим) действием, чем вещества в макродисперсной форме. Это обусловливает необходимость разработки средств индивидуальной и коллективной защиты человека от нанообъектов, способных проникать в организм.
В настоящее время в качестве рабочего материала для средств защиты органов дыхания от вредных веществ, содержащихся в атмосферном воздухе и воздухе рабочих зон промышленных производств, в основном, используются активные угли, которые имеют ряд существенных недостатков: наличие нерегулярных пор всех размеров, горючесть, термическая нестабильность и др. В этой связи создание нового поколения поглотителей, обладающих молекулярноситовым действием, регулярной микропористой структурой, улучшенными показателям гид-рофобности, сорбционной емкости, регенеративной активности, а также комплексное исследование их физических свойств представляется весьма актуальным.
Данная работа посвящена исследованию морфологии и механических свойств поглотителя на основе кристаллического цеолита NaX и фторопласта марки Ф42В, синтезированного в ОАО «Корпорация «Росхимзащита» (г. Тамбов). Полимерное связующее придает данному композиционному материалу гибкость и пластичность, обеспечивающие его стойкость к механической трансформации и компактированию, и, как следствие, легкость в хранении и использовании. Активное вещество представляет собой синтетический алюмосиликат с регулярной микропористой структурой (размер пор 8-10 А).
Результаты исследования структуры композиционного поглотителя №Х-Ф42В, проведенного с помощью сканирующего электронного микроскопа Neon 40 (фирма Carl Zeiss, Германия), показывают присутствие в материале кристаллов сорбента преимущественно октаэдрической формы с характерным размером 2-3 мкм (рис. 1).
1805
Рис. 1. СЭМ-изображение рабочей поверхности поглотителя цеолит NaX - фторопласт
Относительная деформация Д|/1
12В 0
Рис. 2. Кривая деформации поглотителя цеолит NaX - фторопласт Ф42В
1806
Наблюдаемые области агломерированного вещества образованы осколками кристаллической фазы, появившимися в ходе процесса синтеза композита и имеющимися изначально в порошке цеолита. Пространственное расположение структурных элементов сорбента носит случайный характер, вследствие чего формируются полости, заполненные связующим полимером. В местах контакта кристаллов NaX с фторопластом наблюдаются локальные разрывы полимерной пленки, что, вероятнее всего, является следствием повышенной концентрации механических напряжений на этих участках. В целом же фторопласт равномерно распределен между кристаллами цеолита, связывая последние между собой.
В ходе механических тестов сорбирующего материала NaX-Ф42В в режиме одноосного растяжения с постоянной скоростью деформирования равной 10 мкм/c, осуществленных посредством сервогидравлической испытательной машины MTS 870 Landmark (фирма MTS Systems, США), было установлено, что упругая деформация поглотителя наблюдается на участке Д///0 < 0,005, сменяющимся затем широкой зоной пластической деформации с верхней границей при Д///0 ~ 0,19 (рис. 2).
При боле высоких значениях относительной деформации материал начинает разрушаться. Величина прочности (напряжения) на разрыв для композита составляет ов = 0,34 МПа. В области разрушения композита (при Д///0 > 0,19) кривая на графике не имеет ступеней. Это указывает на то что, разрыв поглотителя происходит по всему его сечению практически одновременно, а не является суперпозицией микроразрывов, обусловленных последовательным вскрытием областей, содержащих скопление близко расположенных полостей и пор, что характерно для сильно неоднородных систем, например, макропористых материалов.
Таким образом, из анализа полученных результатов можно дать следующие рекомендации, направленные на улучшение структуры сорбирующего материала NaX-Ф42В и его механических свойств.
1. Необходимо добиться равномерности и упорядоченности в распределении активного вещества, что позволит не только свести к минимуму вероятность образования нежелательных полостей, но и сделать однородным поле механических напряжений по всему объему поглотителя. Для этих целей, например, можно использовать матрицы с ячеей определенной формы и заданного размера.
2. Подобрать оптимальные концентрации сорбента и связующего вещества для достижения наилучшего соотношения между сорбционной активностью, пластичностью и прочностью.
Эти меры позволят улучшить однородность данного сорбирующего материала, что, в свою очередь, приведет к увеличению площади его рабочей поверхности (повысит сорбционную активность и эффективность), а также повлечет за собой рост пластичности, что является важным параметром для гибких поглотителей.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГоловинЮ.И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. C. 496.
2. Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов // Приложение к постановлению Главного государственного санитарного врача РФ от 31 октября 2007 г. № 79.
БЛАГОДАРНОСТИ: Научно-исследовательская работа проведена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Поступила в редакцию 3 сентября 2010 г.
Rodaev V.V., Vasyukov V.M. The structure and mechanical properties of absorber material based on zeolite NaX and fluoroplast F42B
The article is devoted to research of morphology, hardness and plasticity of absorber based on crystalline zeolite NaX and fluoroplast F42B as a link material.
Key words: absorber; sorbent agent; zeolite; porosity.
1807
