Департамент науки ТГТУ

ФГБОУ ВПО «ТГТУ» выдвигает на соискание премии правительства Российской Федерации 2016 года в области науки и техники для молодых ученых работу, выполненную коллективом исследователей под руководством д.т.н., профессора, заведующего кафедрой «Техника и технологии производства нанопродуктов» Ткачева Алексея Григорьевича. В коллектив молодых ученых входят:

• к.т.н., старший преподаватель Блохин Александр Николаевич,
• к.т.н., доцент Бураков Александр Евгеньевич,
• д.т.н., доцент Рухов Артем Викторович,
• к.т.н., доцент Щегольков Александр Викторович.

Тема выдвигаемого на премию проекта: «Разработка научных основ и создание отечественного производства углеродных наноструктур серии «Таунит» - модификаторов конструкционных и функциональных материалов специального назначения». Научно-исследовательская работа по данному направлению ведется с 2008 года по настоящее время.

Коллектив кафедры "Техника и технологии производства нанопродуктов", в состав которой входят авторы выдвигаемой работы

Коллективом молодых исследователей под руководством профессора Ткачева Алексея Григорьевича получены следующие результаты, имеющие научную новизну и значимость:

• Впервые предложена и доказана научная обоснованность методики разработки процессов синтеза углеродных наноструктур методом газофазного химического осаждения на поверхности металлических катализаторов, базирующейся на том, что характеристики процесса формирования наноструктур на микро- и наноуровне определяются макропараметрами (температурой, давлением, скоростью газового потока и т.д.), а их кинетика определяется стадией внешнего массообмена, которая исследовалась методами математического моделирования.
  
  
• Впервые разработаны математические модели:
  
  -процесса синтеза квазиодномерных каркасных нанообразований при каталитическом пиролизе углеводородов, включая взаимосвязанный учет тепловой и гидродинамической обстановки, а также массовые потоки на поверхности наноразмерных частиц катализатора в аппаратах емкостного типа;
  - процесса адсорбции стандартных и модифицированных активированных углей, с определением эффективного коэффициента диффузии слоя углеродных нанотрубок и статической адсорбционной емкости сорбентов;
  - энергетических параметров нагревательного элемента на основе наноструктурного углерода с использованием дифференциального уравнения Пуассона и граничных условий Дирихле, при этом выявлено, что расположение электродов, к которым подводится питающее напряжение, существенно влияет на объемное выделение теплоты нагревательными элементами;
  -температурных полей при преобразовании солнечной энергии наномодифицированных материалов с фазовым переходом в температурном диапазоне 40-60оС для преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальную тепловую энергию.
  
  
• Установлен комплексный эффект улучшения качественных характеристик материалов тонкой очистки (адсорбенты, фильтровальные перегородки, мембраны, аэрозольные волокнистые материалы, пористая керамика и т.д.) газовых и жидких сред за счет направленного поверхностного наномодифицирования их структуры.
  
  
• Методами молекулярной механики обоснован возможный механизм упрочнения полимерных масс на основе алкидных смол углеродными нанотрубками серии «Таунит» уникальными свойствами, получение которых гарантируется методологией разработки процессов синтеза.
  
  
• Разработано аппаратурное оформление производства углеродных наноструктур методом газофазного химического осаждения на основе предложенной методики разработки основных процессов синтеза наноматериалов и методов оптимального проектирования. При проведении технологических расчетов использована инженерная методика расчета кинетики процесса внешнего массообмена, лимитирующего синтез УНТ методом ГФХО на Ni–MgO катализаторах в емкостных реакторах, оформленная в виде программного продукта.
  
  
• С использованием методики создания аппаратурного оформления производства УНМ выполнены технологические расчеты основных процессов синтеза углеродных наноструктур, предложены новые способы их получения (патенты № 2353718 РФ, № 2434085 РФ, №2443807 РФ, № 2455229 РФ, № 2516548 РФ) и разработаны конструкции новых аппаратов непрерывного принципа действия для их синтеза номинальной/максимальной мощностью 1,2/5,7 т/год (патент № 67096 РФ, № 78489 РФ, № 78491 РФ, № 80160 РФ, № 89851 РФ, № 99776 РФ, № 99783 РФ).
  
  
• Разработаны технологии и аппаратурное оформление наноуглеродного модифицирования поверхности материалов тонкой очистки газовых и жидких сред золь-гель методом и методом мокрого сжигания (патенты на изобретение РФ № 2476268, № 2443470). Полученные опытные образцы наномодифицированных сорбентов на основе АУ (АГ-5, NWC) и синтетических цеолитов (NaX) с параметрами нанослоя (диаметр нанотрубок 10-50 нм, длина 0,2-1 мкм), обладающие улучшенными качественными характеристиками, по сравнению со стандартными сорбентами, используемыми при очистке водных растворов от ионов металлов Со2+ и Ni2+, обработке водно-спиртовых смесей (ГОСТ Р 51135-98), адсорбционной очистке водных растворов от органических поллютантов (ГОСТ 4453-74) (патенты на изобретение №2411069 РФ, № 2501602 РФ).
  
  
• Разработаны методы, технологическая схема и режимы введения, распределения и стабилизации дисперсии углеродных нанотрубок серии «Таунит» в полимерной матрице с целью улучшения ее характеристик. Получены образцы наномодифированного связующего и полимерных композиционных материалов, при этом их физико-механические характеристики (при испытаниях на изгиб, срез и разрыв) наномодифицированного связующего улучшились на 20...30%, предел прочности на сжатие и температура теплостойкости увеличились на 70%, а разрушающая нагрузка стеклопластика на основе наномодифицированной эпоксидной смолы – в 2–3 раза. Удельное электросопротивление наномодифицированного эпоксидного связующего снизилось до величины 2,5 Ом•м, а АБС-пластиков до 1,5 Ом•см при наполнении многослойными углеродными нанотрубками марки «Таунит-М» порядка 6% и 9% масс. соответственно, а теплопроводность этих полимеров возросла в 2 раза при уровне наполнения менее 10% масс. (патент № 106137 РФ, заявка на патент №2013146447/05(072131) от 16.10.2013).

Коллективом молодых авторов под руководством профессора Ткачева А.Г. опубликовано более 400 научных работ, в том числе более 50 рецензируемы в базах WoS и Scopus, а также более 15 патентов на изобретения и полезные модели.
Достижения научной школы д.т.н., профессора А.Г. Ткачева и молодых ученых, авторов работы, многократно экспонировались на различных выставках, симпозиумах и конгрессах и получили признание как в России, так и за рубежом, в том числе:

• Диплом "VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций" с вручением золотой медали, за разработку реактора синтеза углеродных наноструктурных материалов (2008, Москва, ВВЦ);
• Золотая медаль «International Trade Fair», Нюрнберг, 2008 год – за лучшую инновационную идею нового продукта;
• Свидетельство о награждении медалью 10-го юбилейного международного форума "Высокие технологии XXI века", лауреата конкурса "Инновационные технологии для реального сектора экономики и социальной сферы" за конкурсный проект "Технология и оборудование промышленного производства углеродного наноструктурного материала "Таунит". (24 апреля 2009, Москва, Экспоцентр")
• Золотая медаль «Salon International des Inventions», Женева, 2009 год – за разработку эффективного метода получения УНМ каталитическим пиролизом;
• Диплом I степени (с вручением золотой медали) "Петербургской технической ярмарки", за разработку промышленного производства многослойных углеродных нанотрубок серии "Таунит". (12 марта 2010, Санкт-Петербург);
• Диплом (с вручением бронзовой медали) за разработку реактора синтеза углеродных нановолокнистых структур каталитическим пиролизом. (2 октября 2010, Taipei City);
• Международной ярмарки инноваций SIIF2014 за разработку реактора синтеза углеродных наноматериалов (1 декабря 2014, г. Сеул, Республика Корея).
• Совместно с сотрудниками АО «ЗАВКОМ» и ООО «ЗАВКОМ Инжиниринг» спроектировано, смонтировано и запущено в эксплуатацию промышленное производство углеродных нанотрубок серии «Таунит», оборудованное тремя линиями с периодическими реакторами новой конструкции, мощностью 1200 кг/год. Рекомендованный технологический режим позволил снизить себестоимость выпускаемой продукции более чем в 6 раз, ожидаемый экономический эффект 3150 тыс. р. (в ценах 2013 года).

За период 2008-2014 гг. произведено и реализовано нанопродуктов на общую сумму более 6 млн. рублей. Комплект оборудования каталитического пиролиза углеводородов смонтирован в ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет» на сумму более 20 млн. рублей. Изготовлены и реализованы конструкции 3 реакторов периодического действия: одного - ООО «НаноСинтез» (Украина) стоимостью 250 000 долларов США, двух - компании «Vision Development Co.Ltd» (г. Токио, Япония) стоимостью 152500 и 168000 долларов США.

Общий экономический эффект внедрения разработок коллектива заявителей за счет реализации наукоемких продукции наноиндустрии и выполнения НИОКР составил 165,2 тыс. руб.