Введение к работе
Актуальность работы. Многие процессы переработки минерального сырья, химического синтеза, металлургии предполагают использование твердого вещества в измельченном состоянии, в котором благодаря увеличению удельной поверхности реагирующих продуктов, возможности эффективного перемешивания компонентов реакции создаются условия, ускоряющие протекание реакций в твердой и жидкой фазах. Использование современных измельчительных устройств с высокой интенсивностью механической обработки позволяет повышать реакционную способность не только за счет увеличения удельной поверхности, но за счет их активации в результате возникновения многочисленных дефектов кристаллической решетки [1,2]. В результате существенно понижаются энергетические барьеры прохождения химических реакций, снижаются энергии плавления и разложения веществ, увеличивается биологическая активность.
В связи с этим актуально изучение физико-химических закономерностей измельчения и механической активации, исследование процесса накопления избыточной энергии неорганическими дисперсными веществами в мельницах, обеспечивающих режим интенсивной механической обработки.
Целью настоящей работы является установление физико-химических закономерностей процесса механической активации веществ с различным типом химической связи в устройствах с разным характером ударного воздействия; выявление особенностей измельчения веществ и аккумуляции энергии, структурных изменений в кристаллических решетках активированных материалов, а также поиск направлений практического применения активированных состояний.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- впервые проведен детальный анализ процесса аккумуляции энергии дисперсными частицами разной химической природы, полученными интенсивной обработкой в режиме свободного и стесненного удара; обнаружен различный характер накопления энергии;
- выявлено накопление избыточной энергии в кристаллах с ковалентным типом химической связи, и отсутствие таковой для ионных кристаллов;
- установлено, что в результате ударных воздействий в режиме свободного удара на кривых дифференциального термического анализа (ДТА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) наблюдаются отчетливые экзотермические пики, указывающие на процесс накопления энергии в результате образования дефектов структуры кристаллической решетки. В тоже время обработка веществ в режиме стесненного удара приводит к образованию на тех же кривых пологих пиков меньшей интенсивности в более широком интервале температур;
- механической обработкой в режиме свободного удара впервые получены наночастицы ВаТiO3;
- обнаружено значительное накопление энергии смесью, состоящей из BaO2 и TiO2 в результате механической обработки в режиме свободного удара, зафиксированное в виде интенсивных экзотермических пиков на кривых ДТА. Установлено, что накопление энергии в результате механической обработки приводит к понижению на 200 C температуры образования титаната бария без включений посторонних фаз.
- установлено, что время жизни механически активированных неравновесных состояний для трех изученных веществ (Si, CaO2, ВаТiO3), определяемое по наличию экзотермического пика на кривой ДТА, превышает полтора года.
- для механически обработанных образцов CaO2 обнаружено 4-5 – кратное увеличение биологической активности.
Практическая значимость работы определяется тем, что в результате исследований:
- получены экспериментальные данные, позволяющие выбирать наиболее рациональный способ проведения процесса механической активации;
- разработан способ получения наночастиц BaTiO3, который может быть использован в современных электронных устройствах;
- выявленная зависимость биологической активности CaO2 от степени механической обработки может быть использована для регулирования его биологических свойств;
- получены экспериментальные данные о сохранении величин избыточной энергии механически активированных веществ, которые могут быть использованы для определения времени, в течение которого вещества сохраняют активность.
На защиту выносятся:
- результаты термических исследований веществ с различным типом химической связи, механически активированных в измельчительных устройствах с разным характером ударного воздействия;
- результаты экспериментальных исследований процессов накопления энергии в веществах с разным типом химической связи посредством ударного воздействия, указывающие на различный характер ее накопления в ковалентных кристаллах и отсутствие накопления энергии в ионных кристаллах;
- результаты термических и структурных исследований веществ, указывающие на различный характер структурных нарушений, возникших в процессе механической обработки в режимах свободного и стесненного удара;
- данные о времени жизни долгоживущих метастабильных состояний механически активированных кристаллов.
Личный вклад автора состоит в анализе состояния проблемы на момент начала исследования, методической работе по постановке эксперимента, выполнении экспериментальной работы, разработке теоретических основ предмета исследований, обсуждении результатов и представлении их к публикации.
Апробация работы. Результаты данного диссертационного исследования были представлены на пяти международных и шести всероссийских конференциях.
Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 20 публикациях, в том числе в восьми в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Структура и объем работы.
