Ультразвук

                        Эмульсирование/диспергирование больших полимерных частиц с образованием мелких частиц путем измельчения.

                        Ультразвуковая обработка перед полимеризацией частиц или во время полимеризации.

Полимеры из наночастиц в миниэмульсиях

Полимеризация частиц в миниэмульсиях позволяет производить дисперсные полимерные частицы четко определенного размера. Синтез полимерных частиц, из которых можно получать наночастицы, в миниэмульсиях ("нанореакторах"), представленный К. Ландфестер, является методом формирования полимерных наночастиц. Сущность данного подхода заключается в использовании большого числа малых наноячеек (дисперсной фазы) в эмульсии в качестве нанореакторов. При этом частицы синтезируются высокопараллельным способом в отдельных замкнутых каплях. В своей работе (Образование наночастиц в миниэмульсиях) Ландфестер рассматривает полимеризацию в нанореакторах, которая позволяет образовывать в высшей степени идентичные частицы практически одного размера. На изображении сверху показаны частицы полученные методом аддитивной полимеризации в миниэмульсиях. 

Мелкие капли, образованные сдвигом большой скорости (ультразвуковой обработкой) и стабилизированные эмульгаторами, могут быть отверждены последующей полимеризацией или, если температура плавления материалов низкая, понижением температуры. Поскольку при помощи ультразвуковой обработки можно образовывать очень мелкие капли практически одного размера в порционном и производственном режиме, это позволяет четко контролировать размер финальных частиц. Для полимеризации наночастиц, гидрофильные мономеры можно эмульгировать в органическом веществе, а гидрофобные – в воде.

При измельчении частиц общая площадь поверхности частиц увеличивается. Таким образом, количество ПАВ, необходимых для стабилизации эмульсии, увеличивается с увеличением общей площади поверхности частиц почти линейно. Тип и количество ПАВ влияет на размер капель. Капли от 30 до 200 нм могут быть получены с применением анионных и катионных ПАВ. 

Наноразмерные материалы в высококачественных покрытиях

Нанотехнологии сегодня все шире применяеются во многих отраслях промышленности. Наноматериалы и нанокомпозиты используются при производстве покрытий, например, для повышения их устойчивости к истиранию и царапанью или воздействию УФ-излучения. Главной задачей наноматериалов при производстве покрытий является придание им прозрачности, четкости цвета и блеска. Важным этапом в разработке нанопокрытий становится размол компонентов покрытия с высокими эксплуатационными данными в мокрой среде до наноразмера. Любые частицы, служащие препятствием для видимого света, вызывают замутнённость и потерю прозрачности. Поэтому, дисперсия должна быть максимально однородной. Ультразвуковая обработка является очень эффективным средством тонкого измельчения твердых веществ. Ультразвуковая кавитация в жидкости вызывает столкновения частиц на высокой скорости. В отличие от обычных шаровых мельниц и дробилок, частицы измельчаются сами: при столкновении с другими частицами. 

Ультразвук размалывает частицы красителя, сталкивая их друг с другом на высокой скорости. Явным преимуществом ультразвуковой обработки по сравнению с высокоскоростными смесителями и мельницами является более последовательная обработка всех частиц. Это уменьшает количество необработанных частиц. Как видно на рисунке, кривые распределения частиц практически перешли на левую сторону. Ультразвуковая обработка позволяет образовывать частицы с очень небольшим различием по размеру (график измельчения красителя). Это улучшает общее качество дисперсий красителя, т.к. присутствие крупных частиц, как правило, негативно отражается на их технологических возможностях, блеске, стойкости и внешнем виде.
Поскольку измельчение и диспергирование частиц основано на столкновении частиц в результате ультразвуковой кавитации, ультразвуковые реакторы могут легко справляться с довольно высокой концентрацией твердых веществ (контрольный замес) и при этом осуществлять качественное измельчение частиц. 

Ультразвуковое измельчение частиц красителей в чернилах

Ультразвуковая кавитация представляет собой эффективное средство диспергирования и микроизмельчения (размола в жидкой среде) красителей в чернилах. Данная технология может быть использована для чернил с пигментацией, вызываемой ультрафиолетовым облучением, чернил на основе воды или другого растворителя. 
Ультразвук является очень эффективным средством измельчения частиц от 500 мкм до прибл. 10 нм Распределение частиц красителя по размерам в чернилах влияет на многие характеристики продукта, такие как стойкость окраски или качество печати. При струйной печати небольшое количество более крупных частиц может привести к нестабильности дисперсии, образованию осадка и, в конечном итоге, неисправности струйных сопел. По этой причине, чтобы обеспечить надлежащее качество чернил для струйной печати, очень важно осуществлять контроль над процессом измельчения частиц красителя в чернилах в процессе их производства.

Для термочувствительных растворителей возможно применение проточных кювет, закрытые кожухом, для установки на всех лабораторных приборах и промышленных установках. Охлаждением стенок реактора (кюветы) изнутри тепло, выделяемое в ходе процесса, может быть эффективно рассеяно. В основном ультразвуковые реакторы используется в поточном режиме. Чернила перекачиваются в бак реактора. Там они подвергаются воздействию ультразвуковой кавитации с контролируемой интенсивностью. Время воздействия определяется в соответствии с объемом реактора и скоростью подачи. Поточная обработка ультразвуком устраняет вероятность пропускания частиц, т.к. все частицы проходят через камеру реактора по одному и тому же определенному пути. Поскольку все частицы подвергаются воздействию ультразвука при идентичных параметрах за одно и то же время в течение каждого цикла, как правило, ультразвуковая обработка сдвигает кривую распределения частиц, а не расширяет ее, "правые концы" не наблюдаются у образцов после обработки ультразвуком.

Испытания бетона ультразвуком

 Стандартные испытания прочности бетона проводятся на специально приготовленных образцах, В результате степень уплотнения бетона в конструкции не отражается результатами испытаний прочности образцов, поэтому невозможно определить, действительно ли конструкцией приобретена определенная прочность. Можно, разумеется, вырезать образец из самой конструкции, но это неизбежно поведет к повреждению ее элемента. Кроме того, такая процедура слишком дорога для широкого применения.

В связи с этим предпринимались попытки определять некоторые физические свойства бетона, связанные с его прочностью, без разрушения бетона. Значительный успех был получен при определении скорости распространения продольной волны в бетоне. Между этой скоростью и прочностью бетона не существует однозначной зависимости, однако при определенных условиях эти два показателя корреляционно связаны. Связующим фактором является плотность бетона: при изменении плотности меняется и скорость импульса. Точно так же для данной смеси отношение истинной плотности к потенциальной (при полном уплотнении) плотности и получаемая прочность тесно связаны. Таким образом, уменьшение плотности, вызванное увеличением водо-цементного отношения, снижает как прочность бетона при сжатии, так и скорость прохождения через него импульсов.

Аппарат для сверхточных измерений скорости ультразвука в бетоне уже применяется, но метод отработан еще недостаточно и поэтому не включен в стандарты.

Скорость волны определяют не прямым путем, а вычисляют из времени, затраченного на прохождение импульсом определенного расстояния. Ультразвуковой импульс — отсюда и название испытаний — получается путем быстрой передачи потенциалов с передающего устройства на пьезоэлектрический кристалл приемного устройства, являющийся источником колебаний на основной частоте. Для этой цели самым пригодным оказался титанат бария. Кристалл соприкасается с бетоном таким образом, что колебания проходят через бетон и улавливаются другим кристаллом, соприкасающимся с противоположной поверхностью испытываемого образца. Второй кристалл генерирует электрические сигналы, которые проходят через усилитель к электродам катодной лампы. Вторая пластинка подает сигналы отметок времени через определенные интервалы. Таким образом, по измерению смещения импульса по сравнению с его положением, когда кристаллы соприкасались один с другим, время, затрачиваемое импульсом на прохождение внутри бетона, определяется с точностью до ±0,1 мксек. При времени передачи импульса, равном для бетона толщиной 15,25 см 30—45 сек, скорость определяется с точностью менее 0,5%. При увеличении длины проходимого импульсом пути скорость распространения волны снижается, но точность измерений не увеличивается. Обычно испытания могут проводиться на бетоне толщиной от 10 еж до 2,5 м, хотя проводились такие испытания и на бетоне толщиной до 15 м.

При выборе частоты ультразвуковых колебаний следует помнить, что чем выше частота, тем меньше рассеивание направлений, по которым идет волна, а поэтому тем выше получаемая энергия. С другой стороны, чем выше частота, тем больше затухание энергии. Обычно применяют кристаллы с частотой от 50 до 200 кгц/сек.

Если невозможно соприкосновение кристаллов с двумя противоположными сторонами бетона, то скорость импульса можно измерять вдоль пути, параллельно поверхности бетона. В этом случае кристаллы помещаются на одной и той же поверхности конструкции, на известном расстоянии. Однако   при  этом   получается   значительно   более   низкая энергия и точность показа соответственно снижается. Лучше результаты могут быть получены при помещении источника колебаний на краю конструкции, на стороне, перпендикулярной основной поверхности. Измерения скорости импульса вдоль поверхности отражают свойства поверхностного слоя бетона и не позволяют судить о прочности бетона в глубине.

Измерение скорости ультразвуковых волн применяется в качестве метода контроля качества продукции, которая должна быть изготовлена из бетона одного состава. При этом легко обнаруживаются недостаточное уплотнение и изменение водоцементного отношения. Этот метод не может применяться для определения прочности бетонов, сделанных из разных материалов в неизвестных пропорциях. Бетон с большей плотностью имеет и большую прочность (при условии, что удельный вес заполнителя является постоянным), так что возможно классифицировать качество бетона на основании данных о скорости распространения импульса. Некоторые данные, предложенные Уайтхэрстом для бетона с плотностью около 2400 кг/м3, приведены в табл. 8.5. По данным Джонса, нижний предел скорости распространения импульса для бетона хорошего качества лежит между 4100 и 4700 м/сек.

Это несоответствие и обычно широкие вариации скорости импульса в бетонах определенного качества являются следствием влияния крупного заполнителя. Как его количество, так и его вид влияют на скорость распространения колебаний, а для постоянного водоцементного отношения влияние крупного заполнителя на прочность бетона сравнительно мало. Таким образом, для разных составов смеси будут получены различные отношения между прочностью и скоростью импульса; это показано на рис. 8.25, основанном на данных Джонса. Для практических целей удобно устанавливать соотношение между прочностью и скоростью ультразвуковой волны с помощью испытания образцов-кубов. Кубы должны иметь такую же влажность, как и бетон в конструкции, так как влажность бетона очень сильно влияет на скорость распространения колебаний. Если калибровка произведена на влажных кубах, а бетон в конструкции уже сухой, то прочность последнего будет недооценена на 10—15%, возможно и более.

Кроме контроля качества бетона, ультразвуковой метод можно применять для выявления трещин в массивных конструкциях типа плотин или разрушений от действия мороза и химических факторов. Это очень важные аспекты использования данного метода, который пригоден для выявления любых пустот в бетоне.

Ультразвуковой аппарат можно также применять для определения толщины бетонных покрытий дорог или тротуаров при условии, что нижние поверхности плит достаточно ровные. Измеряется время, затрачиваемое импульсом на прохождение до нижней поверхности и на возвращение отраженного импульса, а зная скорость импульса, можно вычислить толщину бетона. Это может оказаться полезным при определении несущей способности бетонных плит неизвестной толщины, а также для контроля конструкций.

Сопротивление бетона истиранию можно определять различными методами, каждый из которых основан на воспроизведении истирания бетона в практических условиях. При всех испытаниях показателем истирания является уменьшение веса образца.

При испытаниях на истирание стальным шаром нагрузка прилагается к вращающейся головке, которая отделена от образца стальными шарами.

Испытание с помощью шлифовального круга производят с применением бурового пресса, через который нагрузку передают на 32 вращающихся шлифовальных круга, соприкасающихся с образцом. Головка за время испытаний делает 5000 оборотов со скоростью 190 об/мин, абразивным материалом служит карбид кремния.

Испытания с помощью шлифовальных  кругов    и стальных шаров позволяют определять сопротивление бетона истиранию колесами машин или обувью пешеходов. Склонность к эрозии твердыми частицами в проточной воде измеряют с помощью обработки поверхности бетона зарядом дроби. При этом 2000 кусочков стальных дробинок выбрасывают под давлением воздуха, равным 6,3 кгс/см2, из наконечника диаметром 0,6 см на расстоянии  10 см от образца.

Имитировать практические условия истирания бетона нелегко, и главная трудность испытаний на истираемость состоит в том, чтобы с уверенностью можно было считать результаты испытания соответствующими истинному сопротивлению бетона. На рис. 8.28 показаны результаты трех испытаний на различных бетонах. Ввиду произвольных условий испытаний полученные значения нельзя сравнивать количественно, однако во всех случаях сопротивление истиранию оказалось пропорциональным прочности при сжатии бетона. Испытание со стальными шарами дает лучшее совпадение результатов, чем остальные два метода. BS 1881: 1956 рекомендует испытывать бетонные плиты с помощью свободно падающих стальных шаров во вращающемся контейнере.

Влияние   физических свойств заполнителя зависит   от   вида   испытаний:   при   применении   стальных   шаров   или    шлифовальных   кругов    наличие    более    мягкого   заполнителя    приводит   к   большему   истиранию,     при     обработке     поверхности   дробью   более   твердый   заполнитель   раскалывается   и   вызывает     большую     потерю     бетона.     Определенное     значение     имеет также гранулометрический состав заполнителя, так  как при большем содержании песка в смеси происходит и большее истирание. Но все же прочность бетона при сжатии является самым важным фактором для его  сопротивляемости истиранию; эта сопротивляемость    может быть увеличена применением достаточно тощих смесей. Бетон с небольшим водоотделением  имеет  более прочный  поверхностный  слой  и  поэтому меньшую истираемость. Для повышения сопротивления истиранию важно влажное твердение; некоторые способы ухода при помощи пленок вредны, в то время как абсорбирующая опалубка улучшает сопротивление поверхности истиранию.