МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА НАНОМАТЕРИАЛОВ И ОЦЕНКА ВАЖНОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Основным препятствием на пути к повсеместному использованию наноматериалов является достаточно затратный и трудоемкий по своей сути процесс их производства. Проблема заключается также и в том, что воздействие наночастиц на человеческий организм ещё недостаточно изучено, из-за чего на предприятиях, занятых в этой отрасли необходимо соблюдение мер безопасности, как при работе с особо опасными химическими материалами [3].

Применение наноматериалов растет с каждым годом, соответственно развивается и технология их получения. В настоящий момент можно в целом подразделить основные методы получения наноматериалов на две большие группы: химические (газофазовый, плазмо-химический, лазерный, механохимический, криохимический) и физические (испарение и конденсация в инертном или реакционном газе, электрический взрыв проводников, механическое измельчение, детонационная обработка) методы [1]. Кратко рассмотрим некоторые из приведенных методов и основные риски производства, с ними связанные.

Газофазовый синтез - осуществляется испарение различных твердых материалов при определенной температуре в атмосфере различных газов с последующим интенсивным охлаждением полученных паров. Продуктом этого метода являются полидисперсные нанопорошки различных металлов и их оксидов с размером частиц 10–500 нм[7]. Основными достоинствами метода являются низкая энергопотребляемость, высокая производительность и непрерывность процесса. Ввиду того, что процесс синтеза происходит в закрытом объеме, риск попадания наноматериалов и их производных в рабочую зону минимален. Подобное может произойти только в случае чрезвычайной ситуации, аварии или профессиональной ошибки операторов.

Плазмохимический синтез - используют низкотемпературную плазму различных газов (аргон, углеводород, аммиак, азот) всевозможных по типу разрядов. В подобном состоянии вещества переходят в атомарное состояние, а затем при быстром охлаждении образуют простые и сложные вещества с необходимыми характеристиками. Основным фактором для получения нужных свойств является методика и скорость охлаждения. Главные преимущества метода – высокая производительность за счет скорости образования и конденсации. Как и в вышеописанном методе, процесс требует проведения в замкнутом пространстве, что сводит к минимуму вероятность попадания частиц в рабочую среду. Атмосфера рабочей зоны может загрязняться лишь при неправильной распаковке/транспортировке, в случае ЧС.

Механическое измельчение - происходит механическое измельчение материала до необходимых размеров при помощи различных мельниц и гироскопических устройств. Используется метод для получения различных нанопорошков и характеризуется достаточно неплохой производительностью [2]. Также к достоинствам метода можно отнести низкую себестоимость и высокую чистоту получаемых продуктов за счет использовния чистых исходных компонентов. Есть у этого способа и существенные недостатки – высокая неоднородность частиц по размерам, загрязнение продуктов частицами истирающихся в процессе обработки механизмов.

Электрический взрыв проводников (ЭВП) заключается в последовательной реализации циклической цепочки «взрыв – охлаждение – пассивация». С помощью данной технологии изготавливают большое количество самых разнообразных нанопорошков: от производных обычных металлов до сложных композитных структур. Преимущества метода – экологическая чистота ввиду малого количества отходов. Однако есть и существенный недостаток: при очистке применяемых устройств возможен, во-первых, слив материалов в канализацию, во-вторых, непосредственный контакт обслуживающего персонала с наночастицами. Помимо этого, есть целый ряд производственных рисков: попадание наночастиц в воздух рабочей зоны, шум, взрывоопасность.

Рассмотрев несколько технологий производства наноматериалов, можно заметить, что все они в большей или меньшей степени имеют риск попадания частиц в рабочую зону. Если в некоторых методах для минимализации риска достаточно модернизировать и автоматизировать устройства обнаружения наночастиц и защиты персонала, то в других необходима полная автоматизация процесса для возможности более эффективного промышленного производства.