Хімічні та електрохімічні технології

Поряд з фізичними ефектами в технології дедалі частіше використовуються успіхи, досягнуті в хімії та електрохімії.

З безлічі технологічних способів, в основі яких лежать хімічні і електрохімічні процеси, необхідно звернути увагу на електрохімічне розчинення і поверхневе електролітичне нагрівання — дві сучасні і багатообіцяючі технології. Та нині, щоправда, їх застосування обмежується технікою обробки поверхонь (гальванізація металів і пластмаси, електростатичне та електрофорезне лакування, фотохімічне і електрофотографічне травлення та друк).

До електрохімічної обробки відносять як електроерозійну обробку спосіб, при якому зовнішнє джерело струму розчиняє підключений як анод зразок, так і травлення металів. Ерозійна обробка протікає або шляхом направленого розчинення матеріалу заготовки без контакту її з інструментом, як у випадку свердлення, фрезерування, полірування і зачищення, або при контакті їх, як при шліфуванні і хонінгуванні, причому в останньому випадку електрохімічне розширення доповнюється механічним. У промисловості застосовують еле-ктроерозійне шліфування і зачищення та електрохімічне полірування. У порівнянні зі звичайними способами обробки цей дозволяє знімати матеріал незалежно від його механічних властивостей без зносу інструменту, без розігріву і без виникнення внутрішніх напруг. Продуктивність при цьому може сягати 10 см/хв.

При травленні фасонних деталей з пластини або фольги (товщина від 0,003 до 0,2 мм) зразок за допомогою негативу спочатку копіюється на пластині, покритій шляхом занурення або розпилення спеціальним фотолаком, що витравлюється без приєднання зовнішнього джерела струму.

Хоча способи електрохімічного розчинення і не можуть повністю замінити традиційні способи, вони з успіхом доповнюють їх, і в майбутньому сфера їхнього застосування пошириться. Електро-ерозійна обробка застосовується не тільки до матеріалів, що важко піддаються обробці різанням, але все більше і більше використовується для виготовлення деталей складної форми. Травлення фасонних деталей цілком відповідає вимогам їх мініатюризації і набагато перевищує можливості звичайної штамповки. В майбутньому можна буде говорити і про травлення більш товстих листів.

Електролітичне нагрівання дасть змогу за допомогою електричного розряду розігріти тверді провідники (метали, графіт) у струмопровідній рідині (електроліт) до температури порядку 2000 °С. В процесі цього виникає відновне середовище. Спосіб цікавий як для зварювання і пайки, так і для термообробки і особливо для дифузійних процесів, коли в спеціально підібраному електроліті водночас з основним процесом дифундуючий елемент (М_п, С, S, Сг, А1) частково діє на деталі.

Наймолодший і перспективний спосіб у технології обробки поверхонь треба назвати електрополімеризацією. Цим способом, в основі якого лежать принципи гальванотехніки, можна покрити поверхню металу тонким шаром пластмаси. Особливо важливий він при виготовленні тонких ізоляційних або антикорозійних захисних покриттів на металевих деталях.

Ультразвукові технології

Ультразвукові хвилі є механічними коливаннями в діапазоні частот, що лежить вище 20 кГц. Вони, на відміну від електромагнітних хвиль, поширюються тільки в матеріальному середовищі. Енергія ультразвуку у дедалі більших масштабах використовується в промисловому виробництві.

Сучасне виробництво неможливо уявити, наприклад, без ультразвукового очищення. В промисловості можна зустріти ультразвукове свердлення деталей найрізноманітнішої форми з твердих і крихких матеріалів (свердлять дорогоцінне каміння, скло, ферити, кераміку, кремній, германій), а також ультразвукове зварювання металів і пластмаси.

Ультразвукове зварювання відкриває ще ширше коло можливостей для з'єднання матеріалів, що не піддаються звичайним способам зварювання або утворюють під впливом високих температур рідку фазу, що також перешкоджає традиційним способам з'єднання. В той час, як ультразвукове зварювання пластмаси протікає при підведенні тепла, у металів подібний спосіб не викликає утворення рідкої фази, і процес іде аналогічно холодному зварюванню тиском.

Починається використання ультразвукових способів у технології формування і при різанні. Ультразвукове різання дає високоякісні поверхні.

Технологія дифузійних покриттів

До корозійної термічної зносостійкості матеріалів і виробів висуваються часом дуже високі вимоги, виконання яких здебільшого залежить від стану поверхні деталі. Часто дешеві матеріали, властивості яких покращені лише в локальних поверхневих зонах, з успіхом замінюють малопоширені і цінні. Для цього на практиці часто використовують плакірування, емалювання, лакування, гальванізацію і т. ін.

Дифузійний ефект, тобто спроможність атомів проникати в тверді тіла, ліг в основу одного способу обробки поверхонь— способу дифузійних покриттів. Для гартування сталі в промислових масштабах її поверхню збагачують вуглецем і азотом шляхом дифузійного процесу. В принципі існує можливість більш-менш збагатити всі метали і сплави будь-яким елементом в певній зоні поверхні, якщо основний матеріал при достатньо високій температурі привести в контакт з дифундуючими атомами. Виробляються покриття завтовшки від 0,01 до 2 мм, властивості яких залежать від складу та структури дифузійного шару, що утворився. Цим способом можна одержувати як шари з різноманітних сплавів, так і нітридні, карбідні, боридні. Крім того, можна змусити кілька елементів дифундувати одним за однин або водночас. Цим досягаються більш широкі комбінації властивостей. Для підвищення стійкості до корозії, зносу і нагрівання поряд з вуглецем і азотом сьогодні застосовуються також бор, хром, алюміній, цинк і кремній, що дифундують у металеві матеріали.

Всі названі способи виробництва активно включаються в процес подальшої інтенсифікації народного господарства. З їхньою допомогою при невеликих витратах основних і допоміжних матеріалів та малих виробничих витратах отримують високоякісну продукцію.

Біотехнології

Біотехнології — це використання природничих та інженерних наук у біоіндустрії для забезпечення біологічної спільноти потрібними продуктами та послугами. Каталітично-ферментативний характер біохімічних процесів та великі поверхні контакту мікробів з живильними середовищами обумовлюють високу продуктивність і конкурентоспроможність біотехнологічних виробництв. Завдяки цьому біотехнології широко використовуються у сільському господарстві (високопродуктивні та стійкі сорти рослин, гербіциди, регулятори росту, вакцини та сироватки для лікування тварин, кормові білки).

Біотехнології є провідними в медицині при створенні антибіотиків, біологічно активних речовин і фармпрепаратів, інсуліну, гормонів росту та противірусних вакцин.

У харчовій, хімічній та гірничорудній промисловості, очищенні стічних вод та біозахисті довкілля широко використовуються біотехнології. За їх допомогою отримують багато цінних речовин — ферменти, амінокислоти, спирти, вина, пиво, кисломолочні продукти, кормові та медичні дріжджі, органічні кислоти та їх солі, ацетон.

Багато промислових технологій замінено на процеси з використанням ферментів та мікроорганізмів:

• біотехнологічні переробки руд кольорових металів, сільськогосподарських, промислових та побутових відходів;

• отримання біогазу та добрив.

В енергетиці біотехнології можна використовувати для підвищення ступеня вилучення нафти із родовищ, синтезу етанолу для автомобільного пального, розробки біопаливних елементів.

Високоселективні ферментативні біохімічні процеси швидко протікають при невисоких температурах і тисках, що обумовлює їхні економічні переваги.

Найважливішими стадіями мікробіологічного синтезу є:

• приготування та стерилізація живильного середовища;

• вибір високоефективних штаммів мікроорганізмів та їх розмноження у лабораторії;

• одержання належної кількості мікроорганізмів у цеху чистої культури;

• ферментація;

• виділення та очистка цільового продукту;

• пакування і зберігання продукції.

Білкові каталізатори — ферменти є ключовим фактором у визначенні можливостей практичної реалізації та економічних показників біотехнологічних виробництв. На останні суттєво впливають також технології концентрування субстрату та виділення цільового продукту.

Передові країни світу (США, Японія) проводять інтенсивні дослідження з наукових та інженерних проблем біотехнологічних виробництв. За обгрунтованими прогнозами, у XXI ст. біотехнологічні продукти складуть не менш як 20 % всього обсягу товарів світового ринку.

Нанотехнології

Нанотехнологія — галузь молекулярної технології, орієнтована на створення шляхом маніпуляцій з об'єктами Нанометричних розмірів, пристроїв, речовин та матеріалів із спеціальною структурою та комплексом фізичних, хімічних і біологічних властивостей.

Усі варіанти нанотехнологій засновані на локальному, з точністю до нанометрів і навіть до окремих атомів, управлінні атомно-молекулярними реакціями. Той, хто раніше оволодіє нанотехнологіями, займе провідне місце у техносфері майбутнього. Термін "нанотехнологія" введено в 1974 році Н. Танігучі для маніпуляцій з об'єктами розміром менше 1 мкм. Практична ж реалізація деяких нанотехноло-гічних процесів стала можливою лише після винаходів скануючих тунельного та атомно-силового мікроскопів у 1981 та 1986 роках.

Основні напрямки нанотехнологій: виготовлення електронних схем і нанокомп'ютерів з активними елементами атомно-молекулярних розмірів; розробка і виготовлення нанороботів, здатних працювати з об'єктами молекулярних розмірів; створенню матеріалів з комплексом потрібних властивостей шляхом маніпуляцій атомами чи молекулами при перебудові існуючих структур або методом молекулярного збирання; розробка і виготовлення легких, композиційних, надміцних і високопровідних матеріалів; створення наноматеріалів для високоефективного виробництва і контролю якості продуктів харчування.

Вже зараз для технологічного контролю при виготовленні цифрових відеодисків використовують нанотехнології, а С. Деккер на основі нанотехнологій у 1998 році створив транзистор. Нанотехнології перспективні для військового використання при створенні спеціального обмундирування чи протидії невидимості літальних апаратів.

Нанотехнології можуть привести світ до третьої НТР — нової наноіндустріальної революції, яка радикально змінить не лише економіку, а й життєве середовище людини. За науковими прогнозами, їх розвиток через 10—15 років дасть змогу створити нову галузь економіки з річним оборотом близько 15 млрд доларів США та 2 млн робочих місць.

Перехід до нанотехнологій — це якісний стрибок від маніпуляцій з речовинами до маніпуляцій з окремими атомами та молекулами. Розвиток нанотехнологій приведе до корінної перебудови практично всіх високотехнологічних галузей: кібернетики, електроніки, ядерної та лазерної техніки, біології, медицини, хіміндустрії, сільського господарства, екології.

Ідеологія нової НТР буде пов'язана з інтелектом людини, її інтересами і підвищеними потребами в освіті, свободі та самовираженні. Впровадження нанотехнологій, без сумніву, вплине на науково-технічний та соціальний розвиток світової спільноти.

Контрольні запитання

1. В чому полягає інтенсифікація виробництва?

2. Що таке прогресивна технологія?

3. Що таке технологічна система?

4. Які фактори впливають на ефективність технологічної системи?

5. Які сучасні технології виробництва ви знаєте?

6. Суть і найважливіші особливості (переваги) біотехнологічних процесів.

7. Нанотехнології — авангард технологічного розвитку.

Література

1. Антоненко Г.Я. Организация, планирование и управление предприятиями строительных изделий и конструкций: Учебник. — К.: Вища шк., 1988. - 376 с.

2. Бажал Ю.М. Економічна теорія технологічних змін: Навч. посіб. — К.: Заповіт, 1996. — 238 с

3. Двречин В.В., Дубровин Ф.Е., Павленко В.В. Системы технологий: основные промышленные отрасли: Учебн. пособие для вузов под ред. В.В. Деречина. — Ч. 2. — Одесса: Латстар, 2001. — 300 с.

4. Дичковська О.В. Системи технологій галузей народного господарства: Навч. посіб. - К.: ЮДО, 1995. - 312 с.

5. Збожна О.М. Основи технології: Навч. посіб. — Вид. 2. — Тернопіль: Карт-бланш, 2002 — 486 с.

6. Красноштанова А.А., Крылов И.И., Бабусенко Е.С. Основы биотехнологии: Учебн. пособие. — М.: Ростов.хим.-технол. ун-т им. Д.И. Менделеева, 2001. — 84 с.