Částice, vlastnosti, druhy

Částice, vlastnosti, druhy

Rozdělení přednášky 1. Charakteristiky částic 2. Perkolace 3. Množství částic v kompozitu 4. Vliv částic na matrici 5. Zvláštnosti nanočástic 6. Nanočástice v ovzduší

Tvary sněhových vloček ds = 0,5 mm S = 1/ds = 2*105 m-1 Zabírá asi 1/10 objemu opsané koule Povrch je více než desetinásobek povrchu koule Skutečný poměr povrchu a objemu vločky S = 108 m-1 (m2/m3)

Charakteristiky částic konvexita Rozhoduje o možnostech mechanického zaklínění částice Koeficienty konvexity : C1 = povrch částice / povrch konvexní obálky - přesné C2 = obvod částice / obvod konvexní obálky - z řezu (výbrusu) - praktičtější

Charakteristiky částic izometrie (rovnoosost) Míra schopnosti nemít význačný směr (nebýt orientovaný) důsledek je izotropie kompozitu Koeficienty izometrie : F1 = 4* * (obsah řezu) / (obvod řezu)2 koule F1 = 4* * ( r2)/(2 r)2= 1 krychle F1 = 4* * (a2)/(4a)2= /4 = 0,79 dlouhá tyč F1k = 4* * ( r2)/(2 r)2= 1 F1o = 4* * (rl)/(2*(l+r)2 2* * r/l 0 F2 = poloměr vepsané kružnice / poloměr opsané kružnice kružnice F2 = 1 čtverec F2 = 1/ 2 = 0,71 dlouhá tyč F1k = r / r = 1 F1o = r / l 0

Charakteristiky částic - velikost Sítový rozbor - rozměr ds - otvor v sítu, kterým částice propadne charakteristický rozměr (maximum) Specifický povrch - S = plocha / hmota z předpokladu koule nebo krychle S = 6a2 / a3 = 6/( *a) [kg/m2] Přepočtený rozměr dp = 6 /( *S), je hustota, jednodušeji dp = 6* V/F, V je objem a F povrch částice Stupeň disperznosti D = 1 / d (m-1) - mají rádi fyzikální chemici Krychlová nebo kulová částice 1 μm velká má disperznost D = 106 m-1

Charakteristiky částic -rozeznatelnost Optickým mikroskopem - d > 1 m, D < 106 m-1, částice Rastrovacím elektronovým mikroskopem - SEM - 0,1 až 1 m, mikročástice, D = 106 až 107 m-1 Transmisním elektronovým mikroskopem - TEM - pod 100 nm, nanočástice, D > 107 m-1

Vzájemná vzdálenost částic pravidelné čtvercové uspořádání Volná vzdálenost mezi nimi Smin = a d, Smax = a* 2 d Objemové množství částic vd = ( d2/4) / a2 Dosazením a integraci od Smin do Smax dostaneme pro střední volnou vzdálenost mezi částicemi S = (2/3)*d / vd Platí Smin = d*(( /2 vd) -1), pro Smin = 0 vychází vd = /4 = 0,785 pak se všechny částice dotýkají

Perkolační mez Výsledky simulace vodivosti nevodivá matrice, vodivá disperze

Příklad perkolační křivky Platí pro tepelnou a elektrickou vodivost, tvrdost U pórů pro prodyšnost

Výsledky simulačního výpočtu Princeton čtvercové póry, propustnost desky

Vliv tvaru částice Elektrický odpor, matrice je HDPE CB saze, GN grafenové nanolupínky (Guohoa Chen, 2010)

Těsné uspořádání částic Množství částic vždy vyjadřujeme objemovým %. Předpokládáme globulární (izometrické) částice. Nejtěsnější uspořádání v rovině rovnostranné trojúhelníky V prostoru stejné roviny posazené na sebe i z boku stejný obraz

Jiný pohled na těsné uspořádání Poloměr částice r Úhlopříčka strany krychle 4*r, její hrana 4*r/ 2 Objem krychle 64*r3/(2* 2) Uvnitř čtyři koule 4 * 4/3* *r3

Maximální množství částic Částice se mohou uspořádat maximálně do těsného uspořádání - to je podle předchozího výpočtu 74 % částicové disperze a 26 % matrice Při dalším poklesu množství matrice začnou uprostřed vznikat póry - jsou uzavřené. Jde o teoretický výpočet : - částice nejsou nikdy zcela dokonale uspořádány - částice nemají dokonalý kolovitý tvar Skutečnost - nad 55 60 % částic v kompozitu póry Množství matrice v kompozitu tedy nesmí poklesnout pod 35 až 40 % jeho objemu, nemá-li dojít ke vzniku pórovitosti.

Maximální velikost póru Červeně oktaedrická dutina v krychli představuje největší možný pór. Poloměr 0,41*r Tedy v krychli objemu 64*r3/(2* 2) je objem částic 4 * 4/3* *r3 a objem pórů 0,41 * 4/3* *r3

Spojování pórů Pro maximální velikost pórů z předchozího obrázku je v kompozitu ze 100 % jeho objemu 74 % částic, 18,5 % pórů a jen 7,5 % matrice. Pokud je matrice více než 7,5 %, jsou póry uzavřené uvnitř kompozitu, nejsou vzájemně spojené. Poklesne-li množství matrice pod 7,5 %, póry se začnou spojovat a vytvářet v kompozitu mikrokanálky kapiláry, kompozit se stává propustným pro kapaliny a plyny. Opět ryze teoretický odhad v praxi začíná být kompozit pórovitý s mikrokanálky podle tvaru a rozložení částic již od 70 % částic.

Plastická deformace kompozitu Částice mohou bránit trvalé deformaci Ta je nejčastěji způsobena pohybem čarových poruch v krystalech - dislokací Pohyb dislokace

Zpevnění armováním Velké částice nemohou bránit pohybu dislokací (dislokace je obejdou), ale převezmou část zátěže Optimum - částice nad 1 m, okolo 25 %. Pro větší množství částic utržení od matrice. Okolo částic se vytváří hydrostatická napjatost Křehké částice jsou vlivem všestranného tlaku deformovatelné, trhliny až při 3 * mez kluzu U plastických částic vlivem hydrostatického tlaku klesá mez kluzu - jsou dříve deformovatelné. Nanočástice nemohou převzít část zatížení jsou příliš malé.

Disperzní zpevnění Napětí k pohybu dislokací mezi mikročásticemi nebo nanočásticemi je nepřímo úměrné vzdálenosti. Optimální vzdálenost a množství částic vychází pro kompozit asi 15 % částic velikosti okolo 100 nm Pevnost se příliš nemusí zvýšit, ale odolává tečení (creepu) až do teploty 80 % bodu tání. (běžné slitiny creep od 50 % bodu tání) Příklady : Cu - SiO2, Fe - Al2O3, Ni - TiC

Porovnání způsobů zpevnění Armování částicemi

Porovnání zpevnění částicemi v kovech Precipitační zpevnění typické pro vytvrzování kovů Disperní zpevnění kompozitů červeně optimum Zpevnění armováním modře optimum

Vlastnosti nanočástic Povrchové vrstvy : - větší reaktivita - nižší hustota atomů - rozptyl vzdáleností atomů

Podíl povrchových atomů

Nanokrystaly klastery - kovů

Povrch kovových klasterů

Kvasikrystaly z nanočástic koagulace

Závislost bodu tání na velikosti částice D hrana podstavy, H výška hranolu. Termodynamický model.

Závislost Tm na velikosti částic

Vliv rozměrů zrna na pevnost Tahová zkouška mědi Pevnost 2,3 x větší

Částice v ovzduší (červený rámeček - nanočástice)

Nanočástice v ovzduší Při velikosti pod 1 μm částice prakticky nepadají tabulka přibližných mezních pádových rychlostí (přibližná úměrnost čtverci průměru částice) : Průměr částice : 10 μm 1 μm 100 nm 10 nm Pádová rychlost : 3,3 mm/s 33 μm/s 1,9 mm/min 0,33 μm/s 1,2 mm/hod 3,3 nm/s Nanočástice v ovzduší setrvávají - nepadají

Znázornění průniku prachu

Velikost nanočástic Aerodynamický průměr da definován jako průměr kuličky z materiálu hustoty 1000 kg/m3, který bude mít ve vzduchu stejnou mezní pádovou rychlost. Základní vztah : da = (6*V/π), V objem částice. Sledování mikročástic a nanočástic ve vzduchu : PM10 aerodynamický průměr da < 10 μm, polétavý prach PM2,5 aerodynamický průměr da < 2,5 μm, jemný prach PM1 aerodynamický průměr da < 1 μm, nanočástice (nanoprach) ten jde do plic Údaje znečištění v μg/m3.

Klamnost měřených limitů Pro tyto případy je hmotnost stejná. Tedy podíl na hodnotě PM2,5 je také stejný. Zdravotní účinek je ale zcela rozdílný.

Tyndallův jev rozptyl světla na mikrokapičkách vody - kouřmo

Tyndallův jev - nanočástice

Podíl nanočástic v kouři

Vliv velikonočních ohňů obsah nanočástic Rakouské měření 1 resp 3. před resp po Velikonocích 2 při pálení ohňů

Vliv dopravy

Limity znečištění pro PM10 Směrnice EU : roční limit 40 μg/m3, povoleno ročně maximálně 35 denních překročení na 50 μg/m3. Příloha č. 1 vyhlášky MŽP č. 553/2002 Sb. : signál regulace pro denní průměr nad 100 μg/m3. Zákon o ochraně ovzduší 201/2012 Sb. : do 25 μg/m3 v pořádku, do 35 μg/m3 varování, 50 μg/m3 limit.

Přáíklad Liberec 15. 10. 2012 varování

Dodržování limitů v ČR

Největší znečištění 2011 Nad 35 varování, 50 je limit!

Emise v Ostravě

Bližší rozbor Zdroje znečištění Ostrava 5000 4500 4000 3500 tun za rok 3000 2007 2012 2500 2000 1500 1000 500 0 velké zdroje střední zdroje malé zdroje typ zdroje doprava