НАНОКОМПОЗИТ С ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЕЙ

Машиныи и моторы. Технологии и инновации. Оборудование.

NEW ТЕХНОЛОГИИ


Все свежие публикации



Меню для авторов

ТЕХНОЛОГИИ: экспорт произведений
Скачать бесплатно! Научная работа на тему НАНОКОМПОЗИТ С ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЕЙ. Аудитория: ученые, педагоги, деятели науки, работники образования, студенты (18-50). Minsk, Belarus. Research paper. Agreement.

Полезные кнопки

BIBLIOTEKA.BY Крутые видео из Беларуси HIT.BY - сенсации KAHANNE.COM Футбольная биржа FUT.BY Инстаграм Беларуси

Система Orphus

27 за 24 часа
Автор(ы): • Публикатор: • Источник:


Член-корреспондент РАН Александр ВОЛЫНСКИЙ, химический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

В последние годы в научной литературе и средствах массовой информации часто встречается термин "нанокомпозиты".

Что они собой представляют и в чем их привлекательность, попытаемся рассмотреть на примере систем, состоящих из полимеров с вкраплениями наночастиц другого вещества.

Наша потребность в материалах с улучшенными (по сравнению с существующим уровнем) потребительскими свойствами, необходимых для изготовления, например, деталей технических устройств, постоянно растет. И для ее удовлетворения есть две возможности: синтез новых высокомолекулярных соединений либо модификация уже известных, выпускаемых в промышленных масштабах. Естественно, второй путь привлекательнее первого, хотя бы по экономическим причинам.

Улучшить характеристики полимера можно с помощью добавок. Совместимые - некие растворители - ввести в него несложно. Однако важнейшие качества полученного этим способом материала - твердость, прочность, устойчивость к механическим воздействиям и т. д. - резко снижаются, хотя появляются такие функциональные свойства, как, например, негорючесть, бактерицидность (происходит нечто подобное взаимодействию сахара с водой: впитывая ее, твердый кусок рафинада превра-
стр. 4

Схема процессов, сопровождающих введение в полимер различных добавок.

щается в мягкую субстанцию и нередко вовсе рассыпается на составляющие его кристаллы). Но изготовить из него, скажем, пленку или волокно будет невозможно, поскольку он превратится в гель (студень).

Что же касается несовместимых добавок, то они категорически "не хотят" проникать в полимер. Если же попытаться сделать это "насильно", допустим, перемалывая их вместе в экструдере (смесителе), получится неоднородная, достаточно грубая смесь, непригодная для производства материалов с хорошими механическими свойствами.

Единственный реальный выход из положения - создание нанокомпозита. Речь идет о комбинации различных по форме, химическому составу, свойствам соединений, обладающей повышенными механическими и иными свойствами благодаря уменьшению среднего размера частиц и увеличению (по сравнению с обычными материалами) плотности. Ее получение в общем виде предусматривает следующие стадии: измельчение хотя бы одного из компонентов до наноразмеров (1 нм = Юм); перемешивание их до образования однородной смеси; стабилизация последней с целью недопущения самопроизвольного распада на исходные составляющие ввиду их термодинамической несовместимости (невозможности химического взаимодействия).

Если удастся выполнить все три указанные операции, появится надежда на сохранение основных характеристик полимера-матрицы и на появление у конечного продукта необходимых функциональных свойств (скажем, негорючести, бактерицидности, электропроводности) благодаря введению добавки. Между тем осуществление этого процесса - весьма непростая физико-химическая проблема. Конечно, в настоящее время предложено множество разнообразных методов его реализации, но в большинстве они достаточно сложны и трудоемки, следовательно, далеки от внедрения в производство.

Для решения поставленной практической задачи, как и во многих других случаях, на помощь приходит фундаментальная наука. Прежде всего напомним об исследованиях выдающегося отечественного физикохимика академика Петра Ребиндера, в 1929 г. обнаружившего и объяснившего влияние жидких сред на деформацию и прочность твердых тел. Уже после его кончины, в середине 1970-х годов, начались (и продолжаются по сей день) работы по изучению данного эффекта в полимерах.

Однако высокомолекулярные соединения (в отличие от других исследованных Ребиндером веществ) обладают уникальной особенностью - способностью составляющих их макромолекул (очень длинных, тонких, а главное - гибких цепочек, изменяющих форму под действием внешнего механического напряжения и ряда других факторов) к взаимной ориентации. Именно этот феномен лежит в основе всех характеристик полимеров. Кстати, его можно наблюдать и в быту. Так, полиэтиленовая лента при растяжении резко сужается - образуется так называемая шейка, содержащая (в отличие от остальной, недеформированной, пленки) развернутые взаимно ориентированные макромолекулы, что придает ей высокие механические показатели в соответствующем направлении. Подобное явление широко используется в промышленности, например, для улучшения свойств химических волокон (полиамидных, полиэфирных, перхлорвиниловых и т. д.).
стр. 5

Если же образец какого-либо высокомолекулярного соединения (скажем, лавсана, из которого изготавливают хорошо всем знакомое текстильное волокно) растянуть в адсорбционно-активной жидкости*, он не сужается, но становится молочно-белым, непрозрачным. При микроскопическом исследовании обнаруживаем: в материале образуется удивительная структура, состоящая из фибрилл - нитеобразных агрегатов взаимно ориентированных макромолекул. Эти скопления разобщены в пространстве, т. е. разделены микропустотами (порами), интенсивно рассеивающими свет и поэтому придающими полимеру вышеуказанную матовую окраску (подчеркнем: размеры тех и других составляют 1 - 10 нм). В результате с помощью растяжения полимера в жидкости удается придать ему уникальную наноструктуру с очень высокой пористостью. Она получила название "крейз", а само явление - "крейзинг".

Однако на этом удивительные преобразования полимера в жидкой среде не заканчиваются. Если продолжать его растягивать дальше, скажем, свыше - 150%, происходят перестройки, напоминающие образование вышеупомянутой "шейки". Как показали микроскопические исследования, длина фибрилл увеличивается (хотя расстояния между ними, т. е. диаметры пор крейза, остаются постоянными). Затем начинается их слияние, сопровождающееся резким уменьшением размера микропустот - происходит переход от рыхлой структуры к более компактной, состоящей из плотно упакованных нитеобразных агрегатов, ориентированных в направлении оси растяжения.

Важно отметить: растяжением образца в жидкости можно регулировать параметры фибриллярно-пористой структуры. Иными словами, эффект Ребиндера позволяет совершенно по-новому подойти к решению проблемы создания нанокомпозита. Дело в том, что рассмотренные выше перестройки возможны только в случае, если возникающая пористая структура непрерывно заполняется жидкостью. А это означает, что мы простейшим путем можем доставить в объем полимера любую растворенную в ней несовместимую модифицирующую добавку. И чем сильнее мы вытягиваем материал, тем большее ее количество оказывается в порах.

Когда же начнется переход от рыхлой структуры к компактной, пойдет обратный процесс - растворитель станет выдавливаться из объема крейзов в окружающее пространство через нанопоры. Расстоя-

* Адсорбционно-активная жидкость - хорошо смачивающая, но не растворяющая твердое тело (прим. ред.).

стр. 6

Электронная микрофотография (тысячекратное увеличение) образца полиэтилентерефталата, деформированного в адсорбционно-активной жидкой среде.

Внешний вид образцов полимера, деформированных до различных удлинений в адсорбционно-активной жидкости и схема, иллюстрирующая структурные перестройки, происходящие в процессе такой деформации.

ния между фибриллами из-за их слипания в процессе растяжения непрерывно уменьшаются и в конце концов оказываются соизмеримыми с размерами молекул вводимой добавки. В итоге происходит своеобразная ультрафильтрация вводимого раствора: молекулы добавки захватываются в объеме полимера по чисто геометрическим (стерическим) причинам, а наружу отфильтровывается в основном чистый растворитель.

Ситуация полностью аналогична ловле рыбы сетью с ячейками определенного размера: мелкая свободно через нее проходит, а крупная остается. По сути дела, эффект Ребиндера позволяет простейшим путем внедрять и фиксировать в данной структуре практически любые нужные вещества. После удаления растворителя объем полимера оказывается равномерно заполненным модифицирующей добавкой в виде наноразмерных включений. Другими словами, простое растяжение полимера в жидкости, где она растворена, приводит к получению нужного нам композита. Все три необходимые для его создания вышеперечисленные задачи (измельчение добавки до наноразмеров, однородное ее распределение в объеме полимера и предотвращение ее распада на составляющие) оказываются решенными в ходе одной процедуры.

Именно описанным способом на химическом факультете МГУ на основе выпускаемых в промышленных масштабах полиэфиров, полиолефинов, полиамидов, поливинилхлоридов и т. д. в 1985 - 1995 гг. впервые получили нанокомпозиты с ценными потребительскими свойствами. Это полимеры, выделяющие в окружающее пространство разнообразные вещества, негорючие, электропроводящие материалы, пористые сорбенты, разделительные мембраны, металлополимеры и др. В дальнейшем их свойства проверили в ходе многочисленных прикладных исследований, что получило отражение в авторских свидетельствах и патентах РФ в 1996 - 2008 гг.

Отметим: для получения нанокомпозитных изделий с полимерной матрицей с помощью эффекта Ребиндера достаточно в установку для промышленной вытяжки пленок или волокон ввести небольшой узел, позволяющий совместить этот процесс с процедурой введения модифицирующей добавки. Практическое использование такой технологии открывает реальные возможности производства широкого спектра новых материалов с полезными потребительскими свойствами.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (коды проектов 08 - 03 - 00411-а и 09 - 03 - 00430-а).


Опубликовано 21 июля 2014 года

Нашли ошибку? Выделите её и нажмите CTRL+ENTER!

© Александр ВОЛЫНСКИЙ • Публикатор (): БЦБ LIBRARY.BY Источник: Наука в России, № 4, 2009, C. 4-7

Искать похожие?

LIBRARY.BY+ЛибмонстрЯндексGoogle

Скачать мультимедию?

подняться наверх ↑

ДАЛЕЕ выбор читателей

Загрузка...
подняться наверх ↑

ОБРАТНО В РУБРИКУ

Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY на Ютубе, в вКонтакте, Одноклассниках и Инстаграме чтобы быстро узнавать о лучших публикациях и важнейших событиях дня.