УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ТРИБОАКТИВАЦИИ ИЗМЕЛЬЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR ASSESSMENT OF EXTENT OF TRIBOACTIVATION OF GROUND MATERIALS

Изобретение предназначено для использования в экспериментальной и промышленной механохимии, в частности для оценки степени активации поверхности частиц твердых тел при размоле, при химической или плазменной обработке. Цель достигается использованием устройства, содержащего цилиндр с поршнем и отверстия для обеспечения физического контакта находящегося в цилиндре активированного при размоле порошка с жидкостью.
Механохимическая, плазменная, химическая и, в частности, механоактивационная обработка находит в последнее время все более широкое применение для модификации свойств различных материалов [1, 2, 3]. При этом, направленное изменении свойств обрабатываемых материалов возможно лишь при оптимизации условий механохимической обработки [4].
Практически во всех возможных приложениях трибохимии появляется необходимость в оценке параметров, характеризующих степень активации поверхности измельченного твердого тела. Однако определение степени активации весьма затруднено, так как до настоящего времени механизм этого явления до конца не известен. Несомненно, однако, что эффект механоактивации обусловлен не только образованием новой поверхности при измельчении твердого вещества, но образованием и накоплением дефектов на поверхности частиц, обуславливающих изменение его реакционной способности [5, 6].
Имеется ряд физических явлений, которые сопровождают трибоактивацию поверхности:
- понижение температуры плавления и спекания веществ, прошедших активирующее воздействие;
- снижение энергетического барьера химических реакций.
- изменение кинетики химических реакций с участием активированных веществ;
- изменение растворимости;
- излучение энергии в виде звуковых, световых и электромагнитных волн;
- изменение теплоты смачивания;
- изменение сорбционной способности.
Для регистрации дефектов структуры поверхности используют различные методы: рентгеноструктурный анализ, инфракрасную, радио- и месбаэровскую спектроскопию, электронный парамагнитный и ядерный магнитный резонанс [7], термостимулированную экзоэлектронную эмиссию [8], измерение скорости распространения фронта реакции синтеза [9]. Каждый из этих методов может быть использован для регистрации явлений, сопровождающих активацию, для оценки степени активации и скорости релаксации активации, однако несомненное практическое преимущество имеют способы, основанные на измерении сорбционной способности механоактивированных порошков, так как их реализация доступна персоналу без специального образования и требует простейшего лабораторного оборудования (секундомер, весы).
Настоящее изобретение направлено на реализацию экспресс-оценки степени трибоактивации с использованием простейшего лабораторного оборудования.
Заявленный нами результат достигается использованием устройства в виде цилиндров с поршнями (1) и отверстиями (2) для обеспечения физического контакта находящегося в цилиндре активированного при размоле порошка (3) с жидкостью (4).
Для измерений в цилиндр засыпают определенное количество механоактивированного порошка и сдавливают его, сдвигая поршень в положение, соответствующее количеству засыпанного в устройство порошка. После чего устройство приводят в контакт с жидкостью так, чтобы жидкость через отверстие для осуществления контакта попала внутрь цилиндра и смочила нижнюю поверхность столбика спрессованного в цилиндре активированного порошка.
Степень активации оценивают по скорости подъема жидкости в столбике порошка (по скорости смещения границы между смоченным и сухим слоями порошка в цилиндре), или(и) по изменению массы порошка за счет сорбции жидкости.
Пример реализации изобретения
В качестве стандартного цилиндра с поршнем удобно использовать медицинский шприц (например, на 5 мл), который взвешивают на лабораторных весах, вынимают поршень, засыпают в шприц определенное количество (2 г) механоактивированного порошка, например древесины, осторожно сдавливая порошок, подводят поршень к определенному делению и опускают шприц поршнем вверх в химический стакан с водой, уровень которой подбирают таким, чтобы вода доходила до нижнего слоя порошка в шприце (чертеж)
Для дифференциальной оценки готовят две или больше проб в стандартных шприцах и помещают их одновременно в один и тот же стакан с водой. Скорость смешения границы при пропитке определяют, пользуясь секундомером и градуировкой шприца. После завершения процесса пропитки шприцы вновь взвешивают и определяют сорбционную емкость по разности весов до и после измерения скорости пропитки.
Для предотвращения артефактов конец наконечника шприца перед его взвешиванием срезают наискосок, что обеспечивает свободный доступ воды к образцу, а после смещения поршня к заданному делению, прокалывают поршень или корпус шприца непосредственно под поршнем, для обеспечения выхода воздуха, сжимаемого впитываемой порошком водой.
Следует отметить, что точность измерений скорости пропитки увеличивается при уменьшении соотношения диаметра цилиндра к высоте образца. В связи с этим удобно пользоваться шприцами для инсулина. Однако введение исследуемого порошка в такие, довольно тонкие и длинные шприцы, требует навыка.
Калибровка устройства возможна сравнением результатов, полученных заявленным и одним из известных [7, 8] методов.
Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого устройства обеспечивает достижение указанного результата.
В результате проведенного анализа уровня техники оценки степени трибоактивации, источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна". Простота решения, не реализованного до сегодняшнего дня, свидетельствует о соответствии предлагаемого устройства условию "изобретательский уровень".
Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о том, что заявленное изобретение, предназначенное для использования в экспериментальной и промышленной механохимии, в частности для оценки степени активации поверхности частиц твердых тел при размоле, при химической или плазменной обработке обладает заявленными выше свойствами. Для заявленного устройства в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, нет препятствий его осуществления на практике с использованием распространенных и доступных средств. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
Источники информации
1. Авакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск, Наука. Сибирское отделение, 1986, 305 с.
2. Lee, S.-J., B.-G. Paik, G.-B. Kim, Y.-G. Jang. Self-Cleaning Features of Plasma-Treated Surfaces with Self-Assembled Monolayer Coating. Jpn. J. Appl. Phys. 2006, 45, 912-918.
3. Ломовский, О.И. Механохимия в решении экологических задач Новосибирск. ГПНТБ СО РАН, Сер. Экология. 2006. Вып.7, 221 с.
4. Болдырев В.В. Механохимический синтез в неорганической химии. Новосибирск, Наука. Сибирское отделение, 1991, 3-32 с.
5. Хренкова Т.М. Механохимическая активация углей. М., Недра, 1999, 175 с.
6. Болдырев В.В. Экспериментальные методы в механохимии твердых неорганичеких веществ. Новосибирск, Наука. Сибирское отделение, 1983, 64 с.
7. Вартапетян, Р.Ш., Волощук, А.М., Плавшин Г.М., Топоров Ю.П., Хрусталева Г.Н. Журнал физической химии, 1995, 69, №10, с 1831-1835.
8. Клюев В.А., Кутузова О.А., Ревина Е.С., Топоров Ю.П. Влияние механоактивации на экзоэмиссионные свойства активированного угля. Письма в ЖТФ, 2001, 27, №5, с.32-35.
9. Овсянникова Н.Ю. Исследование активности порошковых механоактивированных смесей путем измерения скорости распространения фронта реакции. 65-е ДНИ НАУКИ СТУДЕНТОВ МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции молодых ученых. Москва, 2010, с.67-68.