Материаловеды Передовой инженерной школы Санкт-Петербургского государственного университета создали сорбционное блочное изделие с использованием аддитивных технологий, позволяющих задавать структуру и эксплуатационные свойства. Изделие более устойчиво к механическим воздействиям, быстрее насыщается и демонстрирует меньшее гидравлическое сопротивление, сообщает пресс-служба вуза.
Сорбционно-активные материалы поглощают и концентрируют разнообразные вещества, поэтому их используют для очистки жидкостей, газовых сред, сырья и готовых продуктов в различных отраслях — химической, нефтеперерабатывающей и электронной промышленности, фармацевтической, медицинской и пищевой отраслях, строительстве, водоподготовке и водоочистке, в быту. Широко используются адсорбенты — материалы, поглощающие вещества всей поверхностью. Эффективность адсорбента зависит от размера, объема и распределения пор, химического состава и свойств поверхностей.
На производствах такие материалы обеспечивают работоспособность оборудования, заданный состав газовых и жидких сред, в том числе необходимые условия влажности. В промышленных установках преимущественно используют адсорбенты гранулированной или дробленой формы, как правило в виде так называемой насыпной шихты. Вещество пропускают через слой сорбента в адсорбере — аппарате для разделения смесей путем избирательного очищения. Насыпные шихты подвержены влиянию внешних воздействий, таких как истирание, вибрации, перепады давления и температур, что приводит к постепенному разрушению гранул и снижению качества очистки.
Решить эту проблему могут блочные углеродные адсорбенты. Использование аддитивных технологий позволяет послойно формировать оптимальную структуру материала с необходимыми эксплуатационными свойствами. Такие адсорбенты более устойчивы к механическим воздействиям. Особенно перспективными считаются блоки с сотовой структурой, так как в отличие от насыпных аналогов, они характеризуются меньшими диффузионными ограничениями и более низким гидравлическим сопротивлением, что повышает эффективность работы в динамических условиях.
Ученые Передовой инженерной школы «Междисциплинарные исследования, технологии и бизнес-процессы для минерально-сырьевого комплекса России» впервые создали сорбционное изделие с помощью аддитивных технологий. Для этого они исследовали три метода — экструзионную 3D-печать пастами, стереолитографию и селективное лазерное спекание (SLS). По словам исследователей, первые две технологии — экструзионная 3D-печать и фотополимеризация — применимы для получения пористых углеродных изделий, но возможности методов ограничены стоимостью сырья.
«Сейчас мы сфокусированы на процессе синтеза на подложке, а именно на технологии селективного лазерного спекания, использующей в качестве расходных материалов порошки различной природы. Эта технология примечательна тем, что позволяет использовать традиционные источники сырья, применяемые для получения пористых углеродных материалов, что значительно снижает стоимость конечного продукта, однако не исключено, что в будущем также будем осваивать и технологию экструзионной 3D-печати», — рассказал профессор кафедры технологии высокоэффективных материалов и изделий Передовой инженерной школы СПбГУ Вячеслав Самонин.
Для 3D-печати методом селективного лазерного спекания ученые подобрали наиболее эффективную порошковую смесь, обеспечивающую высокую плотность, наибольший выход углерода на стадии высокотемпературной обработки, а также низкую усадку. Исследователи определили, что порошковая смесь должна содержать высокоуглеродистый неплавкий наполнитель и термореактивное связующее.
В качестве первого компонента выбрали антрацит — каменный уголь высшей степени метаморфизма, определяющей способность минерального и структурного изменения под воздействием высоких температур, давления и химических веществ. Термореактивным связующим послужили новолачные фенолформальдегидные смолы, которые переходят в твердое состояние при нагревании под воздействием азотсодержащих веществ. Антрацит и новолачные фенолформальдегидные смолы в соотношении 60/40 обеспечивают оптимальную прочность изделий и качество 3D-печати. Блоки изготовили с помощью SLS 3D-принтера.
В дальнейшем команда планирует провести оптимизацию гранулометрического состава исследованной смеси, в том числе исследовать эффективность разных модификаторов и альтернативных термореактивных связующих. Также планируется изучить влияние других структур помимо сотовых — решетчатых, гироидных и так далее — на сорбционные и эксплуатационные характеристики.
Исследователи считают, что 3D-печать — новый этап в разработке сорбционных систем, так как эта технология может помочь с созданием более компактных, долговечных и эффективных установок. Они станут перспективной альтернативой существующим сейчас методам очистки газовых и жидких сред в промышленности.
А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.