Химия и химические технологии, 1.

Буря А.И., Наконечная Н.И.

Днепропетровский государственный аграрный университет

О распределении наночастиц в полимерных матрицах

Нанотехнология - это технология, оперирующая величиной, порядка нанометра, т.е. одной миллиардной доли метра [1], это процесс получения и использования материалов, состоящих из наночастиц (наноматериалы, нанокристаллы, нанокомпозиты) [2]. Одним же из наиболее перспективных направлений нанотехнологии является разработка принципов получения полимерных нанокомпозитов [3]. Их создание базируется на фундаментальных исследованиях физико-химических процессов формирования материалов и эволюции их структуры, обеспечивающей широкий спектр функциональных свойств. В ряде работ убедительно показана эффективность использования в качестве модификаторов полимерной матрицы соединений различной химической природы, имеющих нанометровые размеры [4, 5]

Используя сверхчистый диоксид углерода, ученым удалось внедрить наночастицы в больших концентрациях, что привело к значительному улучшению свойств полимерных материалов, таких как модуль упругости и относительная деформация при сжатии [6].

Хорошо распределенные в полипропилене и поликарбонате частицы глины способствуют ориентированию или выравниванию полимерных цепочек, и, следовательно, замедляют процесс потери их ориентации. В результате, примеси из наночастиц заставляют полимерные цепочки вести себя как более длинные или более высокомолекулярные цепочки. Материал оказывается намного прочнее, чем можно было бы ожидать исходя из длины цепей [7].

Очень часто как наполнитель применяют углеродные нанотрубки (УНТ). Важно отметить, что при их добавлении в полимерную матрицу особое внимание следует обращать на ориентацию УНТ. Как правило, УНТ в композитах ориентированы случайным образом и в значительной степени переплетены, что в значительной мере влияет на свойства КМ.

Для диспергирования нанотрубок обычно используют ультразвуковую обработку в растворителях типа ацетона, однако она недостаточно эффективна - либо нанотрубки остаются спутанными, либо, при длительной обработке, они разламываются на короткие куски, что приводит к образованию дефектов. К тому же трудно сделать армированный композит, используя короткие нанотрубки. Более того, важно получать композиты с однонаправленными нанотрубками [8]. Для текстурирования нанотрубок предлагали различные методы, например, механическое вытягивание [10], ориентирование в магнитном поле [11] использование центрифугирования [12]. Но никто раньше не учитывал, что как на разделение, так и на текстурирование большое влияние должна оказывать вязкость матрицы [9]. Поэтому исследователи из University Sydney (Австралия), рассмотрев воздействие вязкости матрицы на микроструктуру композитов, предложили эффективный механический метод одновременного разделения и текстурирования длинных переплетенных нанотрубок в эпоксидной смоле [13]. Они приготовили композиты из эпоксидной смолы и многостенных нанотрубок (МСНТ), поместили их между двумя стальными дисками и подвергли постоянному сдвиговому усилию со скоростью 0.22с ^-1 (рис. 1).

Рис.1. Схема текстурирования нанотрубок в матрице в результате приложения сдвиговых усилий: а) направление ориентации УНТ; б) ожидаемая ориентация УНТ; в) вращение стального диска.

Выяснено, что для эффективного текстурирования и разделения требуется определенная вязкость матрицы, которая может быть достигнута при добавлении нужного количества отвердителя. Как и ожидалось, характеристики композита с однонаправленными нанотрубками оказались лучше. Кроме того, обнаружено, что добавление УНТ снижает скорость образования поперечных связей в эпоксидной смоле [13].

ЛИТЕРАТУРА

1. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения: Издательство Воронежского государственного университета, 2000.-360с.

2. Планкина С.М. Углеродные нанотрубки. Описание лабораторной работы по курсу "Материалы и методы нанотехнологии".Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. Кафедра физики полупроводников и оптоэлектроники. Нижний Новгород, 2006.-12с.

3. Харрис, П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века. /П.Харрис- М.: Техносфера, 2003.-336 с.

4. Охлопкова А.А., Адрианова О.А., Попов С.Н. Модификация полимеров ультрадисперсными соединениями. – Якутск: ЯФ изд-ва Наука, 2003. – 224 с.

5. Булдык Е.П., Ревяко М.М. //Докл. НАН Беларуси.–1999. – 43, № 5.–С. 119

6. Чвалун С.Н. Полимерные нанокомпозиты //Журнал «Природа», № 7, 2000

7. Техника распределения наночастиц улучшает полимеры. University of Texas at Dallas http://www.utdallas.edu/news/archive/2005/carbon-nanotube-sheets.html

8. Valentini L., Biagiotti J., Kenny J. M., Santucci S. Морфологические характеристики композиционных материалов на основе полипропилена и одностенных углеродных нанотрубок: Докл. [Symposium N "Nano- and Micro-Composite" of E-MRS Spring Meeting, Strasbourg, June 18-21, 2002], //Compos. Sci. and Technol. 2003. 63, № 8, с 1149-1153.

9. Алексеева О. Новый метод сепарации и текстурирования нанотрубок в композитах.//info@nanonewsnet.ru

10. Jin L, Bower C, Zhou O. Alignment of carbon nanotubes in a polymer matrix by mechanical stretching. //Applied physics letters, volume 73, №9, 1998, p.1197-1199.

11. Kimura T., Ago H., Tobita M., Ohshima S., Kyotani M., Yumura M. Polymer composites of carbon nanotubes aligned by a magnetic field. //Advanced materials 14, №19, 2002, p.1380-1383.

12. Xiaojing Xu, Thwe M.M., Shearwood C., Kin L. Mechanical properties and interfacial characteristics of carbon-nanotube-reinforced epoxy thin films. //Applied physics letters, volume 81, №15, 2002, p.2833-2835.

13. Xiao K.Q., Zhang L.C. Effective separation and alignment of long entangled carbon nanotubes in epoxy.//Journal of material science 40, 2005, p.6513-6516