Алексей Хохлов. Полимеры в контексте "нано":...
Post on 16-Jun-2015
4.098 Views
Preview:
TRANSCRIPT
академик АР Хохлов
Умные полимеры
Полимеры - длинные линейные цепи состоящие
из большого (N gtgt1) числа одинаковых звеньев
Для синтетических полимеров как правило N ~ 102 -104
Для ДНК N ~ 109 -1010
Что такое полимер
полиэтилен
полистирол
поливинилхлорид
Электронная микрофотография макромолекулы ДНК частично высвобожденной через дефекты мембраны
Полимеры как длинные молекулярные цепи
Полимеры вокруг нас
Пластмассы Резины
Волокна Пленки
Полимеры вокруг нас
Живые системы
Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами
1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией
2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1
3 Полимерные цепи гибкие
Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров
До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы
резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные
материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры
для медицины)После 2000 умные полимеры (разные
функции в различных условиях)
Гели ndash суперабсорбенты
Гель набухший в растворителе
сшивки
полимерныецепи
Применение гелей-суперабсорбентов
сельское хозяйство
строительство
подгузники
упаковочный материал
Гели
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Полимеры - длинные линейные цепи состоящие
из большого (N gtgt1) числа одинаковых звеньев
Для синтетических полимеров как правило N ~ 102 -104
Для ДНК N ~ 109 -1010
Что такое полимер
полиэтилен
полистирол
поливинилхлорид
Электронная микрофотография макромолекулы ДНК частично высвобожденной через дефекты мембраны
Полимеры как длинные молекулярные цепи
Полимеры вокруг нас
Пластмассы Резины
Волокна Пленки
Полимеры вокруг нас
Живые системы
Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами
1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией
2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1
3 Полимерные цепи гибкие
Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров
До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы
резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные
материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры
для медицины)После 2000 умные полимеры (разные
функции в различных условиях)
Гели ndash суперабсорбенты
Гель набухший в растворителе
сшивки
полимерныецепи
Применение гелей-суперабсорбентов
сельское хозяйство
строительство
подгузники
упаковочный материал
Гели
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Электронная микрофотография макромолекулы ДНК частично высвобожденной через дефекты мембраны
Полимеры как длинные молекулярные цепи
Полимеры вокруг нас
Пластмассы Резины
Волокна Пленки
Полимеры вокруг нас
Живые системы
Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами
1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией
2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1
3 Полимерные цепи гибкие
Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров
До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы
резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные
материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры
для медицины)После 2000 умные полимеры (разные
функции в различных условиях)
Гели ndash суперабсорбенты
Гель набухший в растворителе
сшивки
полимерныецепи
Применение гелей-суперабсорбентов
сельское хозяйство
строительство
подгузники
упаковочный материал
Гели
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Полимеры вокруг нас
Пластмассы Резины
Волокна Пленки
Полимеры вокруг нас
Живые системы
Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами
1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией
2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1
3 Полимерные цепи гибкие
Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров
До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы
резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные
материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры
для медицины)После 2000 умные полимеры (разные
функции в различных условиях)
Гели ndash суперабсорбенты
Гель набухший в растворителе
сшивки
полимерныецепи
Применение гелей-суперабсорбентов
сельское хозяйство
строительство
подгузники
упаковочный материал
Гели
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Полимеры вокруг нас
Живые системы
Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами
1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией
2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1
3 Полимерные цепи гибкие
Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров
До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы
резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные
материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры
для медицины)После 2000 умные полимеры (разные
функции в различных условиях)
Гели ndash суперабсорбенты
Гель набухший в растворителе
сшивки
полимерныецепи
Применение гелей-суперабсорбентов
сельское хозяйство
строительство
подгузники
упаковочный материал
Гели
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Физические свойства полимеров определяются тремя основными факторами
1 Мономерные единицы связаны в длинные цепи У них нет свободы независимого трансляционного движения Полимерные системы бедны энтропией
2 Число мономерных единиц в цепи велико N gtgt 1
3 Полимерные цепи гибкие
Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров
До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы
резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные
материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры
для медицины)После 2000 умные полимеры (разные
функции в различных условиях)
Гели ndash суперабсорбенты
Гель набухший в растворителе
сшивки
полимерныецепи
Применение гелей-суперабсорбентов
сельское хозяйство
строительство
подгузники
упаковочный материал
Гели
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Изменение основной проблематики при исследованиях полимеров
До 1980 полимеры как конструкционные материалы (пластмассы
резины волокна пленки клеи)После 1980 полимеры как функциональные
материалы (суперабсорбенты проводящие полимеры полимеры для оптики полимеры
для медицины)После 2000 умные полимеры (разные
функции в различных условиях)
Гели ndash суперабсорбенты
Гель набухший в растворителе
сшивки
полимерныецепи
Применение гелей-суперабсорбентов
сельское хозяйство
строительство
подгузники
упаковочный материал
Гели
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Гели ndash суперабсорбенты
Гель набухший в растворителе
сшивки
полимерныецепи
Применение гелей-суперабсорбентов
сельское хозяйство
строительство
подгузники
упаковочный материал
Гели
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Применение гелей-суперабсорбентов
сельское хозяйство
строительство
подгузники
упаковочный материал
Гели
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Важность ограничения водопритоков
В мире в среднем добывается
водавода
нефтьнефть
Ежегодно более 40 млрд долларов расходуется на отделение и регенерацию никому не нужной воды
3 3 тонны водытонны воды нана
1 1 тонну нефтитонну нефти
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
laquoУмныеraquo полимеры для ограничения водопритоков
водавода водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
нефтьнефть
ПолимернаяПолимернаяжидкостьжидкость
НефтьНефть ((без водыбез воды) )
ЗадачаЗадача найти систему которая находит приток воды и блокирует его но не препятствует течению нефти
Требования к полимерам низкая вязкость при закачивании образование геля при контакте с водой сохранение низкой вязкости при контакте с нефтью
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Физический гель
Гидрофобный агрегат
гидрофобныезвенья
гидрофильные звенья
Гидрофобно ассоциирующие полимеры
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Состав полимера
|C=O |NH2
|C=O |
O- Na+
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y- ( CH2- CH-)z-
|(CH2)n
|
CH3
3 типа мономерных единиц
гидрофобные единицы
гидрофильные заряженные
единицыгидрофильные незаряженные
единицы
Mw= 1 000 000
0-20 mol 0-3 mol n = 8 11
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
водавода
нефтьнефть
нефтьнефть
РастворРастворполимераполимера
bull Если закачать в скважину водный раствор гидрофобно ассоциирующего полимера он образует физический гель во всем объеме скважины
bull Гель заблокирует течение не только воды но и нефти
Как использовать такие полимеры для ограничения водопритоков
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
нефть вода
нефть вода
Как сделать систему laquoумнойraquo
Ингибитор гелеобразования
Не образует гель ndash
ингибитор не растворяющийся в нефти остается в
полимерном растворе
Образует гель ndash
ингибитор растворяющийся в воде покидает
полимерный раствор
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
01 1 1001
1
10
Pa
s
G
G
(Pa
)
G G
f Hz
1
10
001 01 1 10
1
10
100
1000 G G
G G
(P
a)
f Hz
нефть вода
G=016 Pa G=67 Pa
Ассоциирующий полимер
amide 15-C1215AA
Избирательное гелеобразование
Раствор с низкой вязкостью Гель
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Вывод
Разработана laquoумнаяraquo полимерная система для
контроля водопритоков в нефтедобывающей
скважине Она сама находит место притока воды и
блокирует его
1) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR Patent GB 2393962 A (2004)
2) Зарослов ЮД Филиппова ОЕ Благодатских ИВ Хохлов АР Патент Российской Федерации RU 2276675 (2006)
3) Zaroslov YuD Filippova OE Blagodatskikh IV Khokhlov AR US patents 7151078 (2006) and 7287588 (2007)
4) Shashkina YuA Zaroslov YuD Smirnov VA Philippova OE Khokhlov AR Pryakhina TA Churochkina NA Polymer 2003 v44 N 8 pp2289 ndash 2293
Публикации
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Дизайн laquoумныхraquo полимерных систем для нефтедобычи
bull Блокирование водопритоков
в скважине
bull Гидроразрыв пласта
Два направления использования в нефтедобыче
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Жидкости для гидроразрыва пласта
bull Жидкости для гидроразрыва пласта используют для создания и заполнения искусственных трещин в нефтеносном пласте (их длина может достигать нескольких км) Эта искусственная система имеет более высокую проницаемость по отношению к нефти по сравнению с породой
Твердые частицы пропанта (песка или керамики) взвешенные в высоковязкой среде
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Вязкоупругие ПАВ
C Flood CA Dreiss et al Langmuir 2005 v21 p7646
Cryo-TEM изображения 45 вес водного раствора олеата калия в присутствии 2 KCl
Вязкоупругие ПАВ в воде образуют очень длинные цилиндрические мицеллы
Эти мицеллы могут перепутываться друг с другом образуя сетку обладующую вязкоупругими свойствами
гидрофобная часть
гидрофильная часть
цилиндрические мицеллы сетка
200nm
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
C8H17 ndash CH = CH ndash C12H24 ndash N+ ndash CH3
CH2 CH2OH |
|
CH2 CH2OH
Cl-
C8H17 ndash CH = CH ndash C8H16 ndash COO- K+
Анионные ПАВ Олеат калия
Вязкоупругие ПАВ
Катионный ПАВ J508Erucyl bis(2-hydroxyethyl)methylammonium chloride
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
200C
Влияние углеводородовРеология
Раствор 6 вес KCl в воде
bull Взаимодействие с углеводородами приводит к уменьшению вязкости на 5 порядков
до
после
Олеат калия 04 вес
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
сферические сферические мицеллымицеллы
Влияние углеводородовSANS
bull Взаимодействие с углеводородами вызывает переход мицелл из цилиндрической в сферическую форму приводит к разрушению сетки
n-гептан
Цилиндрические мицеллыЦилиндрические мицеллы
до
после
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
600C
bull Нагревание от 20 до 600С приводит к снижению вязкости на 2 порядка которое происходит в результате укорачивания мицеллярных цепей
200C
G0
200C
400C600C
_
0`` LlGGмин =1
Влияние температуры
Раствор 3 вес KCl в воде
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Вязкоупругие ПАВ для гидроразрыва пласта
Преимущества вязкоупругих ПАВ
- чувствительны к углеводородам
Это особенно важно на этапе когда пространство в порах между частицами пропанта должно быть очищено для прокачки нефти
Недостатки вязкоупругих ПАВ в качестве модификаторов вязкости
- высокая стоимость - уменьшение вязкости при повышенных температурах характерных для подземных приложений
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Упрочнение сетки при добавлении полимера
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Полимер
|C=O |NH2
|C=O |NH
-(CH2- CH-)x- ( CH2- CH-)y-
|(CH2)11
|
CH3
гидрофобные единицыгидрофильные
незаряженныеединицы
01-02 mol
Mw=800 000 gmol
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
полимер 02-С12 концентрация 05 весраствор 3 вес KCl в воде
600C
bull Вязкость системы полимерПАВ на 4 порядка больше чем вязкость полимера и ПАВ рассматриваемых отдельно
polymer
polymerJ508
J508
Увеличение вязкости
мицеллярные мицеллярные цепицепи
полимерные полимерные цепицепи
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
200C600C
600C
Влияние температуры
Полимер 02-С12 концентрация 05 wtраствор 3 wt KCl в воде
bull Система полимерПАВ более устойчива к нагреванию и при 60 0C она обладает намного более высокой вязкостью чем ПАВ при 20 0C Это происходит благодаря тому что полимерные цепи не разрушаются и рекомбинируют подобно мицеллам вязкоупругого ПАВ
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Чувствительность к углеводородамРеология
bull Углеводороды вызывают понижение вязкости на 3-4 порядка
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 04 весРаствор 6 вес KCl в воде
10-4 10-2 100 102 10410-4
10-2
100
102
Vis
cosi
ty (
Pa
s)
Shear rate (s-1)
после
до
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
hydrocarbon
Чувствительность к углеводородамSANS
bull Взаимодействие с углеводородом приводит к переходу мицеллы из червеобразной формы в сферическую и к полному разрушению сетки
Полимер 02-С12 05 весОлеат калия 3 весРаствор 6 вес KCl в воде
после
до
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Вывод
Добавление полимера существенно увеличивает вязкость ПАВ особенно при повышении температуры (600 C) в тоже время не оказывает влияние на основное преимущество систем с ПАВ ndashуменьшение вязкости при взаимодействии с углеводородами
Публикации
1) Shashkina JA Philippova OE Zaroslov YuD Khokhlov AR Priakhina TA Blagodatskikh IV Langmuir 2005 v21 N4 pp1524-1530
2) Molchanov VS Philippova OE Khokhlov AR Kovalev YuA Kuklin AI Langmuir 2007 v23 N1 pp105-111
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Полимерные жидкости чувствительные к магнитному полю
Цель работы ndash Цель работы ndash изучитьизучить магнитные полимерные магнитные полимерные жидкостижидкости с важными и инновационными физико-реологическими свойствами для применения в нефтяной и газовой промышленности
Применение
bull направленный транспорт направленный транспорт жидкости в скважине под действием магнитного поля
bull изменение реологииизменение реологии жидкости в скважине под действием магнитного поля
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Метод
зональная изоляция под
действием магнитного поля
Полимер 014-03 вес (C)Раствор вода
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат натрияbull магнитные частицы
Ca2+
Ca2+
CaCl2
альгинат = линейный мультиблок-сополимер szlig-D-mannuronate (M) and α-L-guluronate (G)
альгинат микрогели сшитые Ca2+
Подобные сшивки можно образовать с помощью ионов Ba2+
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Приготовление магнитных гранул
bull альгинат TrisHCl bull магнитные частицыbull сшивающий агент
CaCl2 растворитель
альгинат гель сшитый Ca2+
Магнитные частицы
сшивающий агент
1-3 wt Ca2+
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Магнитные частицы
Химформула
Произво-дитель
Размер частиц
нм
Намагни-ченость
насыщенияemug
Остаточная намагни-ченость
emug
Коэрци-тивная сила
Oe
Fe3O4Aldrich 031 100 197 95
γ-Fe2O3GNIKTEOS 08
(anisometry
120)
80 40 320
CoO
Fe2O3
GNIKTEOS 05 80 60 670
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Магнитные гранулы
1
32
(1) Гранулы без наполнителя
(2) Магнитные гранулы coдержащие Fe3O4
(3) Магнитные гранулы coдержащие γ-Fe2O3
1 cм
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Методинкапсулирование сшивающего агента
Магнитные частицы
сшивающий агент
Гранулы Капсулы
bull Выделение сшивающего агента с помощью магнитного поля
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
1 ndash гранула в растворе поливинилового спирта
2 ndash разрушение гранулы в магнитном поле
3 ndash образование геля в результате выделения сшивающего агента из гранулы
Сшивание поливинилового спирта вызванное магнитным полем
21 3
Магнитное поле вызывает ориентацию частиц магнитного наполнителя и соответственно деформацию и разрушение гранул Сшивающий агент из разрушенных гранул попадает в раствор полимера там растворяется и вызывает образование геля
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Какие полимеры самые умные
Живые системы
Они могут выполнять несравненно более сложные и
разнообразные функции чем любые системы
искуственно созданные человеком
Биомиметический подход изучить как устроены
биополимерные структуры в живых системах и
реализовать аналогичные типы самоорганизации для
синтетических полимерных систем
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Дизайн последовательностей в Дизайн последовательностей в сополимерахсополимерах
Уникальная пространственная структура
многих биополимеров (например глобулярных
белков) определяется последовательностью
звеньев в цепи
Можно ли добиться аналогичной
самоорганизации для синтетических полимеров
laquoрегулируяraquo в них последовательность звеньев
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Khokhlov AR Khalatur PG Physical Review Letters 1999 82(17) 3456
Глобулярные белки-ферменты1 Растворимы в водных средах
2 Находятся в водных средах в глобулярном состоянии
Для гомополимеров и случайных сополимеров эти два условия противоречат друг другу
Гидрофобные A-звенья формируют плотное ядро глобулы а гидрофильные B-звенья образуют стабилизирующую оболочку для этого ядраВопрос можно ли сконструировать такую AB-последовательность в синтетических сополимерах чтобы в наиболее плотной глобулярной конформации все A-звенья были бы в ядре глобулы а все B-звенья составляли бы оболочку этого ядра белковоподобные AB-сополимеры
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Компьютерная реализация белковоподобных АВ-сополимеров
Включаем сильноепритяжение междузвеньями Формируется гомополимерная глобула
Стадия 2
Гомополимерный клубок с исключенным объемом
Стадия 1
Рассматривается ldquoмгновеннаяфотографияrdquo глобулы Звенья на поверхности красятся зеленым и называются гидрофиль-ными Звенья в ядре отмечаются красным и называются гидрофоб-ными После этого первичная структура цепи фиксируется
Стадия 3
Убираем равномерное сильное притяжение и включаем потенциалы взаимодействия различные для зеленых и красных звеньев Белковоподобный сополимер готов
Стадия 4
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Белковоподобный сополимер
ltRg2gtcore= 741
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Две белковоподобные Две белковоподобные глобулы в условиях глобулы в условиях плохого растворителяплохого растворителя
Распутывание двух laquoслепленныхraquo белковоподобных глобул
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
27 белковоподобных глобул в концентрированномрастворе не агрегируют
H H H
P P
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Нагревание до T=4 и охлаждение до T=1
Около 20 глобул образуют агрегаты
H H H
P P
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных
глобул
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Berezkin AV Khalatur PG Khokhlov AR J Chem Phys 2003 118 8049
ТЕРМООБРАТИМОСТЬ образования стабильного раствора белковоподобных глобул
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Сополимеризация с одновременным образованием глобулы экспериментальная
реализация
bull IV Lozinsky AR Khokhlov etalbull Доклады АН (серия химическая) 2000 v375 p273bull Macromolecules 2003 v36 p7308
ndash N-винилкапролактам + N-винилимидазол
bull Chi Wu etal Macromolecules 2002 v35 p2723ndash N-изопропилакриламид + N-винилпирролидон
bull IYu Galaev B Mattiasson etal Macromol Biosci 2002 v2 p33
ndash N-изопропилакриламид + N-винилимидазол
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Коллагеноподобная глобула
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Концепция эволюции Концепция эволюции в науке о полимерахв науке о полимерах
bull Биополимеры (белки ДНК РНК) обладаютсложными последовательностями мономерных звеньев кодирующими их функции иили структуру bull Эти последовательности должны статистически отличаться от случайных главным образом с точки зрения информационного наполнения bull С другой стороны в самом начале эволюции первые сополимеры могут быть только случайными (нулевая информационная наполненность)
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Вопрос как можно описать увеличение информационной сложности последовательностей сополимеров в ходе молекулярной эволюции
Поскольку информационная наполненность ndash математически определяемая величина этот вопрос количественный
В виду недостатка информации о ранней предбиологической эволюции этот вопрос чрезвычайно сложен Следовательно особый интерес представляют laquoигрушечные моделиraquo эволюции последователностей демонстрирующие различные возможности возникновения статистической сложности в последовательностях
Этого достигается введением взаимосвязи конформаций полимерных цепей и эволюции последовательностей
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Как ввести явно концепцию эволюции последовательностей всхему генерации белковоподобных сополимеров
Формированиеначальнойбелковоподобной последовательно-сти
Сворачиваниев новую глобулуиз-за притяженияH-звеньев
laquoПерекраскаraquo во вновь свер-нувшейсяглобуле
Переходв клубок
Сворачиваниев новую глобулу
etc
Вопрос ведет ли эта эволюция к увеличению сложности (восходящая ветвь эволюции) или мы закончим на некоторой тривиальной последовательности (нисходящая ветвь эволюции)
В результате мы получим некоторую эволюциюпоследовательностей которая зависит от параметроввзаимодействий процесса сворачивания
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Белковоподобный
сополимер
ltRg2gtcore=741
Случайный сополимер ltRg2gtcore= 1066
Случайно-блочный сополимер ltRg2gtcore=994
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Khalatur PG Novikov VV Khokhlov AR Phys Rev E 2003 67 051901
ldquoМНОГОКРАТНАЯ ПОКРАСКА ГЛОБУЛЫrdquo =
покраска + уравновешивание (Молекулярнаядинамика) +
новая покраска + hellip и тд
HH = 2kT PP = ε переменная (в единицах kT)
ldquoAscending branchrdquo of evolution
ldquoDescending branchrdquo of evolution
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Топливные элементы устройство и принцип действия
Электрическая схема(эффективность 40 ndash 60)
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Электрохимический процесс и прямое сгорание топлива
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Сравнение эффективности различных способов генерации электричества
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Н2О
О2
Н2
Ключевая составляющая топливных элементов полимерная мембрана
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Требования к полимерной мембране ТЭ
bull Хорошая протонная проводимость
bull Отсутствие электронной проводимости
bull Низкая газопроницаемость по водороду и кислороду (для эффективного разделения реагентов)
bull Достаточная механическая прочность и химическая стабильность
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Химическая структура (Nafion и аналоги)
x = 6-10 y = z = 1bull DuPontbull Asahi Glasbull Asahi Chemicals
CF2 CF2 CF CF2
OCF2CF
CF3
O(CF2)2SO3H
x y
z
bull х = 3-10 y = 1 z = 0bull Dow Chemical X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+
X+ полианион
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Морфология мембран из Нафиона
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Огибающая гидрофобной части
Микрофазное расслоение
Образование гидрофильных кластеров (размер asymp 35 Aring) Водные каналы ( asymp 10 Aring)окруженные SO3 группами
Микрофазное расслоение
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Преимущества и недостатки классических перфторсульфоновых мембран
Преимуществаbull хорошая протонная
проводимостьbull достаточная механическая
прочность и химическая стабильность
bull низкая газопроницаемость
Недостаткиbull проводимость
определяется наличием воды (невозможность работы при повышенных температурах необходимость работы с увлажненными газами)
bull высокая стоимость
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Преимущества ТЭ работающих в среднетемпературном интервале
(140 ndash 180degС)
1 Повышение эффективности всех электрокаталитических процессов
2 Возможность использования в качестве топлива технического водорода с примесями окислов углерода le 50 000 ppm (1СО)
3 Вода всегда в состоянии водяного пара который можно использовать для когенерации тепла
4 Упрощение систем охлаждения
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Новые мембраны для топливных элементов
Полибензимидазол на основе 44rsquo-дифенилфталиддикарбоновой кислоты и 33rsquo44rsquo-тетрааминодифенилового эфира (ПБИ-О-ФТ)
CO
C
O
NH
N
O NH
N
ПБИ-О-ФТ
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Фотография двух мембранно-электродных блоков изготовленных с использованием ПБИ мембраныРазмер активной поверхности 2222мм
Микрофотография поперечного среза МЭБВ центральной части фотографии отчетливо видна ПБИ мембрана и активные слои по обе стороны от нее Вблизи правой и левой границ фотографии видна структура бумаги TORAY Толщина активных слоев ~50мкм
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Применение топливных элементов
bull Электрогенерация в сложных условияхndash Подводные лодкиndash Космические кораблиndash Военное применение
bull Автомобилестроение
bull Энергоустановки для ЖКХ
bull Портативные устройства
bull Электростанции на ТЭ
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Пример современного автомобиля на ТЭ NISSAN X-TRAIL FCV
Curve Weight 1790Seating capacity 5Top speed (kmh) 150Cruising range (km) 370Max power (kW) 90
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Энергоустановки на ТЭ для ЖКХ
bull Децентрализованное электро- и теплоснабжения объектов ЖКХ
bull Интегрированные электрохимические энергоустановки с использованием возобновляемых источников энергии
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Наименее всего требовательны к стоимости за кВт
НоНаиболее требовательны к удобству пользования инфраструктуре и габаритам
Портативные устройства
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
За последние 10 лет платина подорожала более чем в 5 разВ основном спрос формируется bull Украшения ( более 65)bull Автомобильные фильтры-нейтрализаторы выхлопных газов (особенно
с введением Евро-4 и Евро-5)
Рост мировых цен на платину ndash катализатор для топливных элементов
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
bull Сейчас самой многонаселенной страной является Китай где живут 13 млрд человек В 2050 году его опередит Индия население которой достигнет 16 млрд человек
bull Растущий доход населения в Китае и Индии
Украшения из платины
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Новый класс магнитных эластомеровНовый тип композита представляющего собой высокоэластичную полимерную матрицу с диспергированными в ней магнитными частицами нано- или микронного размера
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПОЛИМЕР
наночастицыполимерная матрица
Сочетание магнитных и упругих свойств приводит к появлению уникальной способности материала к обратимому изменению размера и вязкоупругих свойств во внешнем магнитном поле
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Широкие возможности практического применения новых материалов
в однородных полях в неоднородных полях
магнитоконтролируемый модуль упругости
гигантская магнитострикция
HH
Влияние магнитных полей
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Магнитоуправляемые эластомеры
bull Синтез магнитных эластомеров
bull Вязкоупругое поведение магнитоуправляемых эластомеров в магнитных полях
bull Возможные области применения
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Синтез магнитных эластомеров
Силиконовые полимерные матрицы марки СИЭЛ (ГНИИХТЭОС) A силиконовый олигомер с винильными группами В силиконовый олигомер с гидридными группами + платиновый катализаторРеакция SindashCH=CH2 + HSi [ SiCH2CH2Si ]n
Магнитные частицы Fe 2 мкм 3 ndash 40 мкм Fe3О4 02 ndash 05 мкм
Полимеризация композиции
при 100 ndash 1500C + SHF 24 ГГц
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Синтез структурированных магнитных эластомеров
H
Полюса магнита
a 400 m b 400 m c 400 m
5 об Fe 12 об Fe 25 об Fe
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
s N
PB)
Вязкоупругое поведение
Вязкоупругое поведение в однородных магнитных поляхпри растяжении (A)при сжатии (B)при статическом сдвиге (C)при динамическом сдвиге (D)
P
S N
A)
P
S N
C)
SN
D)
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Статические измерения модуля упругости в однородном магнитном поле
Типичная зависимость напряжения от
деформации при сжатии в магнитном поле
Fx
H
Нап
ряж
ение
кП
а
bull 1-2 гигантская магнитострикцияbull 2-3-4 нагрузка-разгрузка ярко выраженный гистерезис
зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле bull 4-1 наличие больших остаточных деформаций ndash
появление свойства пластичности (или эффекта памяти)
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Структура поверхности в отраженном свете
H = 0 H = 2 kOe
50 m
Структурирование поверхности происходит в однородном магнитном поле
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
существенный гистерезисH
Гигантская магнитострикция
Зависимость отношения начальной длины образца и длины в магнитном поле от величины магнитного поля
00 02 04 06 08100
104
108
112
116
120
Sam
ple
len
gth
L
L0
Magnetc field H (Tesla)
Fe 35
Дл
ина
об
разц
а L
L0
Магнитное поле H Тл
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Ярко выраженный гистерезис зависимостей напряжение-нагрузка в магнитном поле
02 04 06 08 10
1
2
3
H=001T
Нап
ряж
ение
кП
а
---2
H=005T
Площадь гистерезиса растет с ростом интенсивности магнитного поля
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Эффект пластичности (или эффект памяти) индуцированный магнитным полем
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Остаточная деформация в однородном магнитном поле
1E-3 001 01 106
07
08
09
10
Fe3O
4 =140
Fe3O
4 =243
Fe =71
Fe =223
Fe =276
Magnetic filed H Т
rela
tive
com
pres
sion
(0
)
bull Зависит от типа магнитных частицbull Возрастает с увеличением содержания магнитных частиц
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Статические измерения модуля упругости Н
апр
яже
ние
кП
аН
апр
яже
ние
кП
а
Модуль упругости определяется наклоном этой части кривой
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Модуль упругости магнитоуправляемых эластомеров в однородных магнитных полях
10-3 10-2 10-1 100
100
101
102
Fe =30
Fe =20
Fe =10
Fe3O
4 =15
Fe3O
4 =25
rela
tive
she
ar m
odul
us G
(H)
G(0
)
Magnetic field H Тbull Модуль упругости G возрастает с ростом напряженности магнитного
поля bull Наблюдается возрастание модуля упругости на два порядкаbull Насыщение зависимостей G(H) при некотором значении поля Hcr
bull Значение G зависит от типа и количества магнитного наполнителя
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
0 1 2 3 4 5
0
50
100
150
200
250
G
G
kP
a
f Hz
1
1
22
Зависимость динамического модуля упругости Grsquo (1rsquo2rsquo) и модуля потерь Grsquorsquo (1rsquorsquo2rsquorsquo) от частоты осцилляций в магнитном поле (1rsquo2rsquo) и в отсутствие поля (1rsquorsquo2rsquorsquo)
Динамический модуль упругости и модуль потерь возрастают на 2 порядка
Динамические измерения модуля упругости
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Структурированные композиты
0 50 100
1x104
2x104
3x104
4x104
5x104
Fe d~1-70microm =35
G P
a
H mT
FH
FH
F
H
F
H
Наибольшее значение G наблюдается при параллельно ориентированных F и H
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Поведение материалов в переменном магнитном поле
соленоид
A
V=0 V=0-200V
образец
Деформация образца внутри соленоида под действием магнитного поля
Амплитуда колебаний как функция частоты магнитного поля для разных значений H
Ам
пли
туд
а
ω Гц
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Временные зависимости угла вращения для образцов с различным содержанием магнитного наполнителя Cv
Эксперименты по демпфированию
0 10 20 3000
05
10
15
20
d
Cv []
H=0 H=150 Oe H=255 Oe H=400 Oe H=580 Oe
S N
m
Увеличение содержания магнитных частиц и напряженности магнитного поля приводит к уменьшению периода осцилляций и росту декремента затухания d=ln(A1A2)
Cv=175
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16t sec
deg
ree H=0
Н=580 Э
Cv=30
-90
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 2 4 6
t sec
a d
egre
e Н=0
Н=580 ЭOeOe
t [с] t [с]α г
рад
ус
α г
рад
ус
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
Уплотнение больших поверхностей
Вакуум
Манометер
Магнитный композит
магнит
Уплотняемые поверхностиМелкомасштабный рельеф a=016 мм b=06 ммГрубый рельеф a=03 мм b=14 мм
Временные зависимости разницы между атмосферным давлением и давлением в трубке для различных значений напряженности магнитного поля
0 1000 2000 300000
02
04
06
08
10
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 32 mT H= 95 mT
0 500 1000 150000
03
06
09
p [bar]
time [s]
H= 0 H= 93 mT H= 116 mT H= 160 mT
Поверхность с мелким рельефом Поверхность с грубым рельефом
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
865
4
3
21
Электромагнитный клапан(патент РФ)
0
02
04
06
08
1
12
14
0 50 100 150 200 250 300 350
Magnetic field H mT
Air
flo
w
V
Lm
in
P=05 kPa 1 kPa 15 kPa 2 kPa 25 kPa
Электромагнитный клапан
SN
P
дисплей
сенсор потока
клапанманометр
компрессорвыход
подача газа
- Slide 1
- Slide 2
- Slide 3
- Slide 4
- Slide 5
- Slide 6
- Slide 7
- Slide 8
- Slide 9
- Slide 10
- Slide 11
- Slide 12
- Slide 13
- Slide 14
- Slide 15
- Slide 16
- Slide 17
- Slide 18
- Slide 19
- Slide 20
- Slide 21
- Slide 22
- Slide 23
- Slide 24
- Slide 25
- Slide 26
- Slide 27
- Slide 28
- Slide 29
- Slide 30
- Slide 31
- Slide 32
- Slide 33
- Slide 34
- Slide 35
- Slide 36
- Slide 37
- Slide 38
- Slide 39
- Slide 40
- Slide 41
- Slide 42
- Slide 43
- Slide 44
- Slide 45
- Slide 46
- Slide 47
- Slide 48
- Slide 49
- Slide 50
- Slide 51
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 58
- Slide 59
- Slide 60
- Slide 61
- Slide 62
- Slide 63
- Slide 64
- Slide 65
- Slide 66
- Slide 67
- Slide 68
- Slide 69
- Slide 70
- Slide 71
- Slide 72
- Slide 73
- Slide 74
- Slide 75
- Slide 76
- Slide 77
- Slide 78
- Slide 79
- Slide 80
- Slide 114
- Slide 115
- Slide 116
- Slide 117
- Slide 118
- Slide 119
- Slide 120
- Slide 121
- Slide 122
- Slide 123
- Slide 124
- Slide 125
- Slide 126
- Slide 127
- Slide 128
- Slide 129
- Slide 130
- Slide 131
- Slide 132
- Slide 133
-
top related