Институт биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН; Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова
Полимеры пользуются большим спросом в науке, технике, сельском хозяйстве, строительстве, медицине, розничной торговле и других сферах. Однако все те же свойства, которые делают синтетические полимеры столь популярным материалом, приводят к проблемам с их утилизацией. Действительно, благодаря высокой стойкости к химическим и биологическим воздействиям синтетические полимеры в конце срока службы практически не разлагаются в естественных биологических процессах, как это происходит с другими видами отходов. Вместо этого они накапливаются в окружающей среде и, таким образом, представляют серьезную угрозу, которую необходимо устранить как можно скорее. Отличным решением этой проблемы могла бы стать разработка биоразлагаемых полимеров, которые при попадании в окружающую среду будут легко разлагаться обычными видами микроорганизмов (бактериями, грибками и т. д.) С образованием природных продуктов, таких как биомасса, газ и вода. Для этого в синтетическую полимерную матрицу могут быть включены натуральные добавки, которые обеспечивают питательную среду для привлечения микроорганизмов к поверхности полимера и тем самым инициируют процесс биодеградации. Однако практическая реализация этой идеи все еще остается сложной задачей. Так, в различных исследованиях предпринимались попытки создания композитов на основе полиэтилена низкой и высокой плотности с добавлением древесной и банановой муки, соевого белка, рисовой шелухи, кукурузы и др. Однако приемлемые темпы биодеградации при сохранении требуемых физико-химических свойств, а также экономически эффективная технология производства до сих пор не достигнуты.
В данной работе мы исследовали перспективы использования натурального каучука в качестве добавки к полиэтилену низкой плотности с целью создания полимерного соединения для быстрой биологической деградации в почве. Полимерные соединения на основе полиэтилена с содержанием натурального каучука 0 – 50 (мас. %) изготавливались путем смешивания и прессования ингредиентов при повышенных температурах с последующим быстрым охлаждением. Физические свойства полученных таким образом тонкопленочных образцов исследовали с помощью испытаний на растяжение, оптической микроскопии и дифференциальной сканирующей калориметрии. Химический состав образцов исследовали с помощью инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием. Кинетику водопоглощения изучали путем оценки изменения массы образцов, помещенных в дистиллированную воду, с течением времени. Для изучения процесса биодеградации образцы помещали в лабораторную почву на 18 месяцев. По окончании испытаний образцы извлекали из почвы и оценивали их состояние с помощью оптической микроскопии. Кроме того, степень деградации оценивалась путем измерения потери веса образцов. Показано, что все исследуемые образцы полимерных композитов на основе полиэтилена с добавками натурального каучука обладают удовлетворительными механическими свойствами, достаточными для их использования в качестве упаковочных материалов для сельскохозяйственных нужд. Кроме того, на основе измерений потери массы образцов вследствие биодеградации показано, что добавление натурального каучука значительно увеличивает скорость разложения композитов на основе полиэтилена в почве. Наибольший эффект наблюдался для образцов с составом полиэтилен/натуральный каучук 50/50 (мас.%). Здесь потеря веса за 18 месяцев составила более 40% от исходного веса образцов. Таким образом, показано, что использование натурального каучука в качестве добавки является перспективной стратегией создания биоразлагаемых материалов на основе полиэтилена сельскохозяйственного назначения.
1. Linos A., Berekaa M. fnd al., Biodegradation of cis-1,4-Polyisoprene Rubbers by Distinct Actinomycetes: Microbial Strategies and Detailed Surface Analysis // Applied and Environmental Microbiology, 2000, Vol. 66, No. 4, p. 1639–1645
Иветта Арамовна Варьян
ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, СПбПУ им. Петра Великого
Исследование деформаций и напряжений несоответствия, связанных с полупроводниковыми наногетероструктурами сложной архитектуры, является важной проблемой материаловедения и наномеханики. Эти деформации и напряжения определяются различиями параметров решетки и коэффициентов теплового расширения контактирующих материалов, а также их химическими неоднородностями. Снижение напряжений несоответствия за счет образования различных дефектов часто сопровождается ухудшением функциональных свойств гетероструктур и их последующим разрушением. Поэтому тщательный анализ напряжений несоответствия в гетероструктурах с учетом их реальной формы огранки имеет большое значение для создания бездефектных полупроводниковых устройств с повышенными характеристиками. С этой целью мы нашли аналитическое решение краевой задачи в классической теории упругости для клиновидного тела, содержащего прямолинейную нить, подверженную трехмерному растяжению собственной деформации, которая является так называемой «дилатационной нитью».
Для определения поля напряжений этого дефекта введем функцию напряжений Эйри в виде суммы ψ = ψel + ψpl, где ψel - аналитическое решение бигармонического уравнения в упругой задаче для клина, а ψpl - частное решение, которое соответствует дилатационной нити. Интегральное преобразование Меллина используется для вывода системы уравнений для функции напряжения Эйри. В результате желаемые компоненты напряжения находятся в интегральной форме по мере обратного преобразования Лапласа-Меллина [1]. Анализ полученного решения проводился численно с использованием графиков напряжений.
Примеры двух графиков напряжений показаны на рис. 1 для случая r = 0.5r0 и различных значений угла раскрытия клина 2β. Графики показывают, в частности, выполнение граничных условий на свободных поверхностях тела.
Найденное решение удовлетворяет уравнениям равновесия и граничным условиям на свободных поверхностях клиновидного тела. Свободные поверхности сильно влияют на распределение поля напряжений.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 19-29-12041.
1.Gudkina Z. V. et al. The misfit stresses of dilatation line in semiconductor nanoheterostructures with angular boundaries //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2020. – Т. 1695. – №. 1. – С. 012014.
Жанна Вадимовна Гудкина
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Экспериментальные исследования механического поведения конструкционных материалов при малоцикловой усталости и различных видах напряженно-деформированного состояния являются актуальными в связи с необходимостью анализа особенностей процессов неупругого деформирования и прогнозирования циклической долговечности [1]. Условия эксплуатации многих высоконагруженных деталей и элементов конструкций определяют необходимость планирования экспериментов на малоцикловую усталость с учетом изменения во времени параметров циклического нагружения при сложном напряженно-деформированном состоянии.
Проведены испытания тонкостенных трубчатых образцов из алюминиевого сплава Д16Т на малоцикловую усталость при растяжении-сжатии в условиях действия дополнительных касательных напряжений постоянной величины. При проведении экспериментальных исследований использовалась универсальная двухосевая сервогидравлическая испытательная система Instron 8850. Для регистрации осевых и сдвиговых деформаций в процессе испытания на малоцикловую усталость использовался двухосевой высокотемпературный экстензометр Epsilon. Оценивалось влияние на долговечность дополнительных касательных напряжений постоянной величины, которые были выбраны по диаграмме деформирования цилиндрических образцов из сплава Д16Т на кручение.
В каждом испытании регистрировались петли гистерезиса в виде зависимостей нормальных и касательных напряжений от осевых и сдвиговых деформаций и отслеживались изменения максимальных и минимальных значений осевых деформаций в каждом цикле. По результатам испытаний построены зависимости угла поворота от числа циклов до разрушения.
От цикла к циклу происходит значительное изменение сдвиговых деформаций в условиях сложного напряженного состояния при циклировании по нормальным напряжениям и наличии постоянной составляющей касательного напряжения. Из построенной зависимости циклической долговечности от уровня касательных напряжений постоянной величины наблюдается снижение долговечности сплава Д16Т при увеличении постоянной составляющей касательных напряжений.
Анастасия Васильевна Лыкова
ИМСС УрО РАН
Универсальность использования ультразвука позволяет сочетать его с другими технологиями, доказывая огромный потенциал его использования в различных сферах. Ультразвуковое воздействие нашло применение в таких областях как: материаловедение, химический синтез [1], очистка воды [2], биотехнологии [3].
Исследование проводилось в сонохимическом реакторе флотационной машины ФМЛ - 1, который представлял из себя полость с размерами 110×116×160 мм3, изготовленную из оргстекла толщиной 3 мм. Источник ультразвука располагался заподлицо с дном экспериментальной установки.
Для сонохимического реактора, в воде и растворах NaCl, проведены экспериментальные исследования: относительного акустического давления, с использованием датчика вибраций; скорости возникающих течений, с использованием метода трассерной и флуоресцентной визуализации; интенсивности кавитационных процессов с использованием термопарных измерений.
Михаил Олегович Кучинский
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
Под воздействием ультразвука в жидкости могут образовываться инерционные и неинерционные (неактивные) кавитационные пузырьки. Активность образования пузырьков за счет процессов кавитации и коалесценции зависит от многих факторов, в результате могут наблюдаться как коллапс парогазовых кавитационных пузырьков в жидкости, так и их коалесценция и длительное существование относительно крупных пузырьков [1,2].
Проведено экспериментальное исследование активности кавитационных процессов и интенсивности коалесценции парогазовых пузырьков, возникающих в объеме жидкости при наличии ультразвукового (УЗ) воздействия в растворе соли NaCl и при различных концентрациях sodium dodecyl sulfate (SDS). Процесс образования и дрейфа пузырьков фиксировался с помощью скоростной камеры в плоскости кюветы освещенной лазерным ножом. Показано, что добавление ПАВ в водный раствор соли NaCl приводит к частичному ингибированию процесса коалесценции пузырьков миллиметрового диаметра и смене режима дегазации жидкости при наличии УЗ воздействия. Максимальная активность кавитационных процессов и образования парогазовых пузырьков наблюдалась при наличии соли и низкой концентрации SDS. Таким образом наличие ПАВ в водном растворе соли 0,1 М NaCl приводит к изменению динамики роста пузырькового ансамбля, так как мелкие пузырьки не способны всплывать на поверхность, ввиду преобладания вязких и вибрационных сил над выталкивающей силой.
На Рис. 1 представлены изображения полученные в результате объединения 500 кадров для чистой воды и при наличии 0,1 М NaCl и низкой концентрации SDS равной 0,05 мМ.
Оскар Олегович Фатталов
Пермский государственный национальный исследовательский университет
Под действием ультразвука в жидкостях возникают кавитационные пузырьки, затем вследствие коалесценции образуют парогазовые пузырьки, поведение которых широко исследуется в литературе [1, 2]. Настоящая работа является продолжением исследования [3], посвященного воздействию ультразвука на солевые растворы.
В настоящей работе исследована динамика роста одиночного пузырька на поверхности акрила в дистиллированной воде, в водных растворах NaCl с концентрацией 0.1, 0.2 и 0.3 mol, а также в воде при наличии поверхностно-активного вещества sodium dodecyl sulfate (SDS) в сонохимическом реакторе флотационной машины ФМЛ-1 при ультразвуковом воздействии на жидкость с частотой 28 кГц.
В экспериментах наблюдались закрепление и дальнейший рост одиночного пузырька на стенке сонохимического реактора, который был изготовлен из акрилового стекла толщиной 3 мм. Динамика роста одиночного пузырька в экспериментах фиксировалась с помощью оптической системы регистрации данных, которая состояла из камеры Basler acA1920-155um с объективом TC2MHR036-C и коллимированного источника монохроматического света. Эксперименты показали, что размеры и динамика роста одиночного пузырька зависят от наличия ПАВ и солей в водных растворах. Так, в дистиллированной воде, наблюдается увеличение среднего диаметра пузырька, на фоне его периодических осцилляций вследствии УЗ воздействия. В растворах солей и ПАВ различной концентрации, в связи уменьшением интенсивности коалесценции пузырьков, скорость роста пузырька падает, кроме того максимальный размер закрепившегося на поверхности пузырька существенно уменьшается.
Исследование выполнено при финансовой поддержке из средств гранта Российского научного фонда (проект № 20-69-46066).
1. Wu J., Nyborg W. L. Ultrasound, cavitation bubbles and their interaction with cells //Advanced drug delivery reviews. – 2008. – Т. 60. – №. 10. – С. 1103-1116.
2. Xu Z. Numerical simulation of the coalescence of two bubbles in an ultrasound field // Ultrasonics sonochemistry. – 2018. – Т. 49. – С. 277-282.
3. Rybkin K. A. et al. Experimental study of formation and dynamics of cavitation bubbles and acoustic flows in NaCl, KCl water solutions // Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2017. – Т. 879. – №. 1. – С. 012026.
Максим Владимирович Козлов
