Введение к работе
Актуальность темы
Свойства и поведение наноразмерных частиц, взвешенных в газовой среде и называемых аэрозольными наночастицами, в настоящее время представляют важнейший предмет для исследования, благодаря их широкому применению в технологических процессах и влиянию, оказываемому на окружающую среду. В процессах газофазного синтеза наноразмерных порошков (электрического взрыва проводников, плазменного, лазерного, газоразрядного, термического испарения и др.) и при формировании пленок и покрытий аэрозольные наночастицы играют определяющую роль в создании материалов с заданными свойствами. Свойства наночастиц определяют функциональные характеристики многих современных изделий и устройств, например, электродов литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов, люминофоров, медицинских жидкостей, изделий печатной электроники и различных функциональных покрытий.
В составе аэрозолей технологического или природного происхождения, могут содержаться в различных пропорциях малоизученные частицы нанометрового диапазона размеров (< 100 нм) и более крупные частицы субмикронного и микронного диапазона размеров (>100 нм), по исследованию которых накоплены значительные знания. Ранее хорошо были исследованы традиционные технологические процессы, в которых доминируют частицы или капли микронного диапазона, например, такие процессы как сжигание жидкого и твердого топлива, покраска деталей и распыление пестицидов, осуществляемые эффективнее при переводе вещества в аэрозольное состояние.
С развитием аэрозольных технологий активно решались и задачи по очистке воздуха от аэрозольных частиц. С этой целью разработаны волокнистые фильтрующие материалы, эффективность улавливания частиц и капель которыми, в соответствии с действующими стандартами, оценивается только в субмикронном и микронном диапазонах размеров частиц. В связи с развитием технологий получения и применения наночастиц возникает актуальная потребность в расширении возможностей для испытаний фильтрующих материалов с использованием потоков аэрозольных наночастиц различной природы, используемых в технологиях и образующихся в атмосфере.
В последнее десятилетие созданы и начали применяться методы и приборы для измерений размеров и концентраций наночастиц в газовых потоках, которые открыли возможности для изучения наночастиц вблизи места их формирования и транспортировки к месту использования1. Это позволяет получать новую важную информацию об аэрозольных наночастицах, в дополнение к комплексу оптических и гравиметрических
1 ЗагайновВ.А. //Нанотехника. 2006. Т.1. С. 141-146.
методов, ранее широко применяемых для характеризации частиц субмикронного и микронного диапазона размеров.
Быстрое развитие технологических применений наноразмерных
частиц, в том числе в форме аэрозолей, порошков и суспензий, стимулирует
целенаправленное совершенствование методов получения аэрозольных
наночастиц различной природы и исследования их свойств. Каждому из
известных газофазных методов синтеза наночастиц присущи определенные
возможности по группе испаряемых неорганических материалов,
дисперсному составу получаемых наночастиц и энергетической
эффективности . В этом ряду с конца 80-х годов начал развиваться метод
синтеза наночастиц в импульсном газовом разряде, где частицы получаются
посредством электрической эрозии материала электродов. К началу наших
работ синтез наночастиц данным методом ограничивался использованием
импульсного искрового разряда, получаемого в режиме самопробоя
межэлектродного промежутка. Такие режимы оказались нестабильными для
получения частиц с заданным распределением по размерам,
неэффективными энергетически и низкопроизводительными.
Рациональным путем развития этого метода, исследуемого в данной работе, является использование управляемого пробоя нескольких межэлектродных промежутков, включенных последовательно в единую разрядную цепь, что должно обеспечить стабильность параметров получаемых наночастиц. Ранее основы физики пробоя газовых и вакуумных промежутков разрабатывались в целях создания генераторов большой импульсной мощности, электронных ускорителей и СВЧ-генераторов , на что опираются данные исследования.
В отличие от газофазных методов синтеза наночастиц методы распыления растворов позволяют получать аэрозольные наночастицы различной природы: неорганической, органической и биоорганической, например, с использованием исходных коллоидных растворов, в которых диспергированы наночастицы4. При этом важную роль в формировании аэрозолей играет стабильность состояния наночастиц в исходных коллоидных растворах и параметры используемых растворителей. Актуальным является поиск возможностей управления дисперсным составом наноразмерных аэрозолей, в частности, с целью получения потоков монодисперсных аэрозолей, свойства и применения которых изучаются автором.
Таким образом, очевидной для развития применений технологий на основе наночастиц является острая востребованность в получении и исследовании свойств аэрозольных наночастиц с использованием новых подходов, позволяющих получать наночастицы с заданными составом, структурой и распределением частиц по размерам.
Котов Ю. А.// Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4. № 1-2. С. 40.
Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004. 4 W.C. Hinds. Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles. New York: Wiley-Interscience. 1999.
Целью работы является исследование свойств и поведения аэрозольных наночастиц, получаемых с помощью новых подходов: синтеза в процессах управляемого импульсного газового разряда и распыления стабилизированных коллоидных растворов.
Данная цель достигается постановкой и решением следующих задач:
-
Разработка режимов получения аэрозольные наночастиц в процессах импульсного управляемого газоразрядного синтеза и распыления коллоидных растворов.
-
Проведение комплекса измерений параметров аэрозольных наночастиц в потоках с применением системы анализа дифференциальной электрической подвижности и диффузионного аэрозольного спектрометра для определения концентраций, распределений по размерам и зарядовых состояний наночастиц.
-
Исследование свойств аэрозольных наночастиц (размера и распределения по размерам, концентрации в потоке, морфологии, структуры, зарядового состояния и элементного состава) и выявление закономерностей их образования при варьировании режимов работы импульсного многозазорного газоразрядного генератора аэрозолей (энергия разряда, частота следования разрядов и скорость потока воздуха).
4.Исследование влияние материала электродов на размер, концентрацию и морфологию аэрозольных наночастиц, получаемых с помощью импульсного многозазорного газоразрядного генератора аэрозолей.
5. Исследование эффективности улавливания аэрозольных
наночастиц неорганической, органической и биоорганической природы в
волокнистой среде электретного фильтра в системе очистки воздуха.
6. Разработка методики получения потоков моно дисперсных
аэрозольных наночастиц при распылении коллоидных растворов.
7. Исследование процессов электростатического осаждения
наночастиц на плоскую кремниевую подложку и изучение их
геометрических характеристик.
Научная новизна работы:
-
Разработан новый метод синтеза аэрозольных наночастиц в процессах управляемого импульсного газового разряда микросекундной длительности, реализованный в устройстве с последовательным включением трех газоразрядных промежутков в разрядную цепь емкостного накопителя энергии.
-
Впервые установлены закономерности образования наночастиц при варьировании режимов работы (энергии и частоты разряда, скорости потока воздуха) многозазорного импульсного газоразрядного генератора аэрозолей.
-
Установлено, что размер, концентрация и морфология наночастиц, получаемых в многозазорном импульсном газоразрядном
генераторе аэрозолей, зависят от свойств материала электродов, а именно, от энтальпии окисления, температуры плавления и энергии сублимации.
-
Установлены закономерности образования наночастиц при распылении коллоидных растворов для получения неорганических аэрозолей, в частности, при распылении коллоидного раствора SiC>2 формируется поток аэрозоля, содержащий фракции отдельных наночастиц и агломератов наночастиц, средний размер которых возможно регулировать изменением рН исходного коллоидного раствора.
-
Впервые получены результаты по эффективности фильтрации аэрозолей в системе очистке воздуха с электретными волокнами в широком диапазоне размеров от 20 до 575 нм аэрозольных частиц неорганической, органической и биоорганической природы. Установлено, что в области размеров частиц менее 80 нм роль электростатического механизма улавливания частиц с уменьшением размера снижается при одновременном возрастании роли диффузионного механизма улавливания частиц.
-
На основе электродиффузионной классификации аэрозольных наночастиц разработан метод для формирования ансамбля монодисперсных наночастиц SiC>2 на плоской кремниевой подложке со стандартным геометрическим отклонением менее 1,3.
Практическая значимость работы:
Результаты работы расширяют знания о свойствах и поведении наноразмерных аэрозолей и могут использоваться:
при разработке технологий получения нанопорошков неорганических материалов в импульсных газоразрядных генераторах;
при разработке аэрозольных технологий получения покрытий на основе наноструктурированных материалов;
при разработке и испытаниях систем очистки воздуха от взвешенных частиц нанометрового и субмикронного диапазонов;
для калибровки средств измерений размеров в нанометровом диапазоне, в частности, атомно-силовых и растровых электронных микроскопов;
в качестве справочных материалов по физике наноразмерных аэрозолей.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается:
количеством проведенных измерений и вычислениями погрешностей результатов измерений;
использованием нескольких методов измерений, имеющую качественную сопоставимость;
согласованностью результатов экспериментов с теоретическими предсказаниями;
приемлемым согласием результатов экспериментов с результатами других исследователей.
Положения, выносимые на защиту:
-
При варьировании режимов работы многозазорного импульсного газоразрядного генератора посредством изменения энергии разряда, частоты следования разрядов и скорости потока воздуха возможно управляемое получение аэрозольных наночастиц в диапазоне размеров от 8±3 до 75±8 нм и диапазоне концентраций от 10 до 10 см" . Показано, что для получения более мелких частиц и снижения их агломерации требуется уменьшать энергию разряда или частоту следования разрядов и увеличивать скорость потока воздуха.
-
В многозазорном импульсном газоразрядном генераторе аэрозолей возможно получение первичных (отдельных) наночастиц, а также их агломератов и агрегатов, морфология которых зависит от свойств материала электродов, а именно, от энтальпии окисления, температуры плавления и энергии сублимации.
-
При распылении коллоидного раствора SiC>2 формируется поток аэрозоля, содержащий фракции отдельных наночастиц и агломератов наночастиц, причем средний размер агломератов уменьшается, а их концентрация увеличивается по мере уменьшения рН исходного коллоидного раствора.
-
Эффективность фильтрации аэрозолей в системе очистке воздуха с электретными волокнами значительно увеличивается за счет активации электростатического механизма улавливания частиц в широком диапазоне размеров от 20 до 575 нм, приобретающих заряд, например, благодаря зажиганию коронного разряда. В области частиц малых размеров, менее 80 нм, роль электростатического механизма улавливания частиц с уменьшением размера снижается при одновременном возрастании роли диффузионного механизма улавливания частиц.
-
Посредством классификации наночастиц, получаемых распылением коллоидного раствора SiC>2, по их электродиффузионной подвижности возможно получение потоков монодисперсных аэрозолей со стандартным геометрическим отклонением менее 1,3, при электростатическом осаждении которых на плоской кремниевой подложке формируются ансамбли монодисперсных наночастиц.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на 4, 5, 6-ой школе «Метрология и стандартизация в нанотехнологиях и наноиндустрии» (Новосибирск, 2011; Черноголовка, 2012; Екатеринбург, 2013), 55-ой научной конференции МФТИ (Долгопрудный, 2012), 15-ом Европейском конгрессе по микроскопии (Манчестер, Великобритания, 2012), Международной молодежной научной школе «Функциональные нанокомпозиционные материалы и их применение в атомной отрасли» (Москва, 2012), 9-х Петряновских чтениях (Москва, 2013), Европейской аэрозольной конференции (Прага, Чехия, 2013), 5-ой Всероссийской конференции по наноматериалам (Звенигород, 2013).
Основное содержание работы изложено в 6 статьях в рецензируемых научных журналах и 9 тезисах докладов на конференциях.
Личный вклад автора. Разработка экспериментального образца импульсного многозазорного газоразрядного генератора аэрозолей, большинство экспериментов и исследований, составляющих основу работы, выполнены лично автором на кафедре нанометрологии Московского физико-технического института (государственного университета), г. Долгопрудный, или при его непосредственном участии. Автор участвовал в обсуждении поставленных задач, экспериментальных методик, результатов, а также в написании научных публикаций и докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 148 библиографических ссылок. Работа изложена на 143 листах печатного текста, содержит 43 рисунка и 27 таблиц.
