IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

МАГНИТНЫЙ ПОРОШОК ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАЩИТЫ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Плеханов Е.С.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение 4

Системы контроля 4

Элементы защиты банкнот банка России 4

Золь-Гель технология 5

Оптический микроскоп «ПОЛАР 1» 6

Практическая часть 7

Создание образцов 7

Магнитный порошок 8

Характеристики: 8

Контроль полученных образцов 9

Бумажный браслет 9

Чистая бумага 10

Бумага и надпись ручкой 11

Бумага (ластик) 12

Купюра номиналом 100 руб. 13

Вывод 17

Литература 18

Цели и задачи

Цели:

  • Освоить золь-гель технологию

  • Научится работать на оптическом микроскопе

  • Показать возможность использования магнитного порошка, как средство дополнительного контроля

Задачи

  • Изучить литературу по золь-гель технологии

  • Создание нескольких образцов магнитной жидкости.

  • Высушить магнитную жидкость, для образования магнитного порошка.

  • Нанести магнитный порошок, на различное покрытие

  • Рассмотреть полученный результат на оптическом микроскопе.

  • Подвергнуть покрытие обработки(чистки)

  • Рассмотреть остались ли частички магнитного порошка на покрытии.

  • Проанализировать результаты

Введение Системы контроля Элементы защиты банкнот банка России
   

Рисунок 1. Элементы защиты банкнот банка России

  1. Водяные знаки:

Расположены на купонных полях денежных билетов; хорошо видны при рассматривании банкнот на просвет: с одного края повторяют фрагменты рисунка лицевой или оборотной стороны; с другого - цифровое обозначение номинала банкноты

  1. Серебристая окраска:

Цифровые обозначения номиналов всех банкнот имеют хорошо заметный серебристый блеск.

  1. Метки для людей с ослабленным зрением:

На левом купонном поле лицевой стороны расположены кружки и полосы, имеющие рельеф. Предназначены для определения номиналов банкнот.

  1. Краска с изменяющимся цветом (только на банкноте в 500 рублей):

Эмблема Банка России при рассмотрении банкноты под разными углами меняет свой цвет с жёлто-зелёного на красно-оранжевый.

  1. Скрытое изображение:

На узорной ленте банкнот при горизонтальном их расположении на уровне глаз под острым углом падающего света видны буквы «РР»

  1. Рельефное изображение:

В верхней части лицевой стороны банкнот текст «БИЛЕТ БАНКА РОССИИ» имеет рельеф, воспринимаемый на ощупь.

  1. Микроузор:

Купонные поля оборотной стороны банкнот запечатаны цветными прямоугольниками, состоящими из мелких геометрических фигур.

  1. Защитная нить:

Видимая на просвет прозрачная полимерная полоса содержит текст, состоящий из букв «ЦБР» и числовых номиналов банкнот в прямом и перевернутом изображении.

  1. Микротекст:

Состоит из букв «ЦБР» и числовых номиналов банкнот.

Золь-Гель технология

Золь-гель процесс – технология материалов, в том числе наноматериалов, включающая получение золя с последующим переводом его в гель, то есть в коллоидную систему, состоящую из жидкой дисперсионной среды, заключённой в пространственную сетку, образованную соединившимися частицами дисперсной фазы.

Общее название «золь-гель процесс» объединяет большую группу методов получения материалов из растворов, существенным элементом которых является образование геля на одной из стадий процесса.

На первой стадии золь-гель процесса реакции гидролиза и поликонденсации приводят к образованию коллоидного раствора – золя (частиц гидроксидов, размер которых не превышает несколько десятков нанометров). Увеличение объёмной концентрации дисперсной фазы или иное изменение внешних условий (pH, замена растворителя) приводят к интенсивному образованию контактов между частицами и образованию монолитного геля, в котором молекулы растворителя заключены в гибкую, но достаточно устойчивую трёхмерную сетку, образованную частицами гидроксидов. Концентрирование золей с последующим гелеобразованием осуществляют путём диализа, ультрафильтрации, электродиализа, упаривания при относительно низких температурах или экстракции.

Исключительно важную роль в золь-гель процессе играют процессы удаления растворителя из геля (сушки). В зависимости от метода их осуществления, могут быть получены различные продукты синтеза (ксерогели, амбигели, криогели, аэрогели), свойства которых описаны в соответствующих разделах. Общими особенностями этих продуктов являются сохранение наноразмеров структурных элементов и достаточно высокие значения удельной поверхности (сотни м2/г), хотя объёмная плотность может отличаться в сотни раз. Большинство продуктов золь-гель синтеза используется в качестве прекурсоров при получении оксидных нанопорошков, тонких плёнок или керамики.

Оптический микроскоп «ПОЛАР 1»

Рисунок 2. Оптический микроскоп "ПОЛАР 1"

Микроскоп «ПОЛАР 1» предназначен для визуального наблюдения и исследования непрозрачных объектов в отражённом поляризованном и обыкновенном свете, а также прозрачных объектов в проходящем свете при малых увеличениях.

Прямое строение микроскопа позволяет исследовать только тонкие плоские объекты.

Микроскоп применяется в минераграфии, углепетрографии, металлографии, химии, криминалистике, в других областях науки и техники, а также в высших учебных заведениях.

Для изучения образцов под разным увеличением был использован оптический микроскоп «ПОЛАР 1» (Error: Reference source not found). Который обладает револьверным устройством на пять объективов (5х/0,15; 10x/0,25; 20x/0,40; 50х/0,55; 100x/0,8), а также настраиваемым межзрачковым расстоянием, в пределах от 48 до75 мм и типом коррекции объективов длиннофокусный планахромат, рассчитанный на длину тубуса "бесконечность", для работы в отражённом свете. Размер предметного столика составляет 150х190 мм на котором препарат можно перемещать в пределах 60х75 мм. Источником света, проходящего и отражённого является галогенная лампа с электрическим потенциалом 12 В и мощностью 30 Вт. Источник питания - сеть переменного тока, 220±22/50 В/Гц

Практическая часть Создание образцов

Для создания образца использовались перечисленные вещества в различных пропорциях дабы добиться состава, который бы хорошо реагировал на магнитные поля:

  • Железо сернокислое, 6 водное (Fe2(SO4)3 • 6Н2О).

  • Железо хлористое, 7 водное (FeCl2 • 6Н2О)

  • Тетроэтоксисилан (ТЭС, ТЭОС; (C2H5O)4Si)

  • Аммиак водный (ЧДА) (NH3 + H2O + NH4OH)

  • Вода (H2O)

Идеальным составом оказалась смесь о соотношении который и использовался для поставленных целей:

  • Железо сернокислое – 0,33 г

  • Железо хлористое – 0,15 г

  • Вода – 10 мл

  • Аммиак водный – 1 мл

  • Тетроэтоксисилан – 2,6 мл

Сначала было отмерено железо сернокислое и железо хлористое в соответствии с указанными массами на электронных весах. Потом оба вещества были растворены в воде. Затем были добавлены аммиак водный и тетроэтоксисилан в соответствии с указанными объёмами. Полученную смесь перемешали и дали отстоятся. После разделения смесь на фракции удалили избыток воды.

Магнитный порошок Характеристики:
  • Цвет-тёмно-коричневый (чёрный)

  • Стабилен на открытом воздухе

  • Реагирует на магнитные поля

  • Однородный

  • Сыпучий

   

Рисунок 3. Образец порошка

Сушка происходила при повышенной температуре (~45 ºC) в таре с минимальными щелями, для вентиляции воздуха. Время сушки более 9 дней. При более быстрой сушки с открытой крышкой (как при комнатной температуре, так и при повышенной), вместо магнитного порошка образовывался оксид железа не магнитной фазы.

Контроль полученных образцов

Получившийся порошок был нанесён на различные поверхности такие как бумага, деньги, бумажный браслет для последующего исследования на оптическом микроскопе.

Бумажный браслет

На рисунке ниже изображён бумажный браслет.

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

Рисунок 4. Браслет

На данных изображениях хорошо видно, что частицы способны проникнуть между волокон материала браслета.

Чистая бумага

Также частицы способны проникнуть меж волокон обыкновенной бумаги (бумага для принтеров фирмы «SvetoCopy»).

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рисунок 5. Чистая бумага

Части порошка зафиксировались на поверхности, но многие из них проникли в глубь между волокнами.

Бумага и надпись ручкой

а)

б)

в)

г)

д)

Рисунок 6. Бумага и надпись ручкой

Вид бумаги становится немного не опрятный, но если обработать весь лист, то будет просто казаться, что лист немного темнее. Ручка по-прежнему пишет, и особенной разницы между с обработкой и без не заметно.

Бумага (ластик)

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рисунок 7. Бумага повреждённая стеранием ластиком

Как сразу заметно, количество частиц стало на много меньше, но они по-прежнему остались. Так же общий вид бумаги стал на много белее, что свидетельствует об обработки ластиком.

Как результат, старанию ластиком не поддаётся. Полностью можно исключить только разрушив бумажный листок.

Купюра номиналом 100 руб. Основная область

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

Рисунок 8. Купюра наминалом 100 рублей основная область

Частицы расположились равномерно. Как и в бумажном образце, частички проникли внутрь.

Купюра номиналом 100 рублей. Область сгиба

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

Рисунок 9. Купюра наминалом 100 рублей область сгиба

В области сгиба наблюдается резкое увеличение концентрации частиц. Они проникли на много глубже в образец, а также из-за дефектов поверхности, множество частиц закрепились на поверхности.

Купюра номиналом 100 рублей. После промывание в проточной воде

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рисунок 10. Купюра наминалом 100 рублей после промывания под проточной водой

Часто люди попадают под дождь, падают в грязь и подобное. После чего, деньги подвергаются мытью в проточной воде. Как видно из представленных изображений, промывание под краном без использования специальных чистящих средств не очищает от частичек.

Купюра номиналом 50 рублей. После химической обработки чистящими средствами

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рисунок 11. Купюра наминалом 50 рублей после химической обработки чистящими средствами

Купюра подверглась стирке в стиральной машине автомат. Как можно наблюдать на изображениях полученные с помощью микроскопа, частички так же присутствуют в достаточно большом количестве. Стоит отметить, что структура осаждаемых частиц не сохранилась, видимо недостаточно глубоко проникли частички во внутрь волокнистого материала.

Вывод

Проведя анализ исследуемых образцов пришли к выводу, что полученный порошок может остаться на поверхности различных изделий из волокнистых материалов. Стоит отметить, что если материал не подвергать обработки, то в качестве обрабатываемого материала может выступать и стекло.

Было отмечено, что все рассмотренные в работе виды чисток, полностью не удаляют частички оксида железа, что можно использовать для контроля. В качестве примера: контроль перемещения посетителей, чтобы избежать передачу браслета, на бумажный браслет наносятся частички в определённом структурном рисунке. Такой структурный рисунок невозможно будет удалить без дополнительной химической/механической обработки (стирки в стиральной машине, жёсткое стирание поверхности бумаги).

Как дополнительный фактор контроля можно добавлять рассматриваемые в работе частички в клей, склеивающий бумагу, или отдельные элементы корпуса изделия.

Дополнительно стоит отметить, что частички не теряют своих магнитных свойствах, находясь в контакте с воздухом более 6 месяцев (срок с начала проведения эксперимента по сей день).

Литература
  1. Вахромеева К.А., Манукян В.А. «Исследования в оптическом микроскопе структуры осаждаемой плёнки из раствора магнитных наночастиц от структуры магнитного поля»

  2. Банкноты. Сайт ЦБ. 13 февраля 2017 года.

  3. http://www.cbr.ru/bank-notes_coins/?Prtid=banknotes_itm&selBanknote=1000r_10&type=type2

  4. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М.: Физматлит, 2007. — 416 с.

  5. Коллоидные наночастицы на основе диоксида кремния с оболочкой оксида железа для биомедицины, Гареев К.Г., Биотехносфера. 2014. № 6 (36). С. 31-34.