ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ТОНКИХ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК

Жанузак Жандос Бауржанулы

магистр технической физики, ст.. науч. сотр. лаборатории «Теплоснабжение», ТОО «Казахстанский научно-технический центр развития ЖКХ», г. Астана

Жамантаева Лейла

Магистр, инженер лаборатории «Теплоснабжение», «Теплоснабжение», ТОО «Казахстанский научно-технический центр развития ЖКХ», г. Астана

Шарифов Джумахон Мухторович

канд. ф.-м. наук, доцент, зав. лаборатории «Теплоснабжение», ТОО «Казахстанский научно-технический центр развития ЖКХ», г. Астана

Абилхадирова Роза Ислямовна

магистрант, ст. науч. сотр. лаборатории «Коммунальных отходов», ТОО «Казахстанский научно-технический центр развития ЖКХ», г. Астана

Жакупаева Сауле Тилеубаевна

специалист, Центр стратегии инновационного развития, г. Астана

Серикбаев Нуржан Сагиндыкович

канд. ф.-м. наук, ст. науч. сотр. лаборатории «Теплоснабжение», ТОО «Казахстанский научно-технический центр развития ЖКХ», г. Астана

Ордабаев Марат Ерболатович

канд. техн. наук, заведующий лаборатории «Энергосбережение», ТОО «Казахстанский научно-технический центр развития ЖКХ», г. Астана

E-mail:

Полимерные нанокомпозиты (ПНК) (англ. Polymer nanocomposites) – это полимеры или сополимеры, включающие какие-либо наночастицы. Наночастицы могут быть различной формы (например, пластины, трубки, сфероиды), но, по крайней мере, в одном измерении они должны быть от 1 до 50 нм. ПНК принадлежат к категории мультифазных систем (МФС - смеси, композиты и пены), составляющих около 95 % производства пластмасс. Производство данных систем требует контролируемого смешивания, стабилизации полученного распределения наночастиц, ориентации дисперсной фазы. Нанокомпозиты, содержащие даже 2 объемных процента минеральных наночастиц, обладают физическими характеристиками на 10—15 % превышающими ненаполненные аналоги, а температура деструкции при этом повышается с 65 до 150 °C. Показано, что включение кобальт-железных металлических наночастиц в блок-сополимер приводит к так называемому наноэффекту, который проявляется в повышенной устойчивости материала к нагрузкам. Большая часть композитов, содержащих неорганические наночастицы, пользуется повышенным коммерческим спросом. По прогнозам, в ближайшие годы потребность в таких композитах в мире возрастет до 600 тыс. т. Сфера их применения охватит такие важные отрасли промышленности, как производство средств связи, антикоррозийных покрытий толщиной 1—5 нм, УФ-защитных гелей, устойчивых красителей, новых огнезащитных и сверхпрочных материалов, высококачественных волокон и пленок, ультрадисперсных (0,1 мм) порошков тяжелых металлов. Перспективы и бурное развитие научных исследований в области наноиндустрии отражается в огромном потоке публикаций в различных научных областях [1]. Области их применения, благодаря варьированию физико-химических свойств, также могут быть достаточно широким.

Охрана окружающей среды – одна из главных сфер применения нанотехнологий в настоящее время, будет развиваться за счет получения и производства наноматериалов с заданными химическими и физическими свойствами с целью применения их для очистки питьевой воды и воздуха, а также для очистки сточных вод. Некоторые устройства для очистки воды, созданные с использованием нанотехнологий, уже имеются на рынке, еще большее количество находится в разработке.

В области энергетики наиболее передовые нанотехнологические проекты связаны с хранением и преобразованием энергии. По прогнозам ученых, применение нанотехнологий в сфере использования энергии света (производство солнечных батарей) через 10—15 лет позволит снизить потребление энергии в мире на 10 % и получить экономию более 100 млрд. долл. и, соответственно, сократить вредные выбросы углекислого газа в размере 200 млн. тонн [2].

Полимерные композиты, содержащие углеродные нанотрубки, обладают ценными физико-механическими свойствами, уникальной комбинацией электрических, оптических, механических и сорбционных свойств, представляя собой материалы, необходимые для применения в различных областях техники, приборостроения, экологии. Свойства этих нанокомпозитов зависят от концентрации наночастиц в матрице и от свойств компонентов композита, поэтому в зависимости от цели применения конечного материала свойствами этих материалов можно управлять в процессе его получения. Свойства нанокомпозитов могут быть существенно усилены, если ансамбль наночастиц в матрице является структурно организованным. К настоящему времени рассматриваются различные способы упорядочения наночастиц в матрице методами ориентации наночастиц: воздействием на них внешним однородным или неоднородным электрическими полями, а также внешним магнитным полем [3—4].

Нанокомпозиты на основе полимеров и керамик сочетают в себе качества составляющих компонентов: гибкость, упругость, перерабатываемость полимеров и характерные для стекол твердость, устойчивость к износу, высокий показатель светопреломления. Благодаря такому сочетанию улучшаются многие свойства материала по сравнению с исходными компонентами. Такие нанокомпозиты еще не приобрели коммерческой ценности. Однако очевидно, что в ближайшее время они найдут применение в качестве специальных твердых защитных покрытий и для неорганических, и для полимерных материалов, а также как световоды и оптические волокна, адгезивы, адсорбенты и, наконец, как новые конструкционные материалы.

В настоящее время одним из наиболее эффективных и экономически выгодных способов модификации свойств полиэтилена (ПЭ) является введение в него различных наполнителей органического или неорганического происхождения. Подобная модификация необходима, так как ПЭ не обладает высокими физико-химическими свойствами. В настоящем докладе приводятся некоторые результаты полученных для образцов нанокомпозитных тонких полимерных пленок на матрице полиэтилен низкой плотности с определенными добавлениями наночастицы фуллерена С₆₀.

Полиэтилен [-CH-CH₂-]_n - насыщенный линейный полимерный углеводород, получаемый полимеризацией газа этилена СН₂=СН₂. Основным ис­точником получения этилена являются продукты высоко­температурной переработки нефти. Полиэтилен представляет собой роговидное прозрачное вещество плотно­стью 0,94...0,97 г/см³ (меньше плотности воды), размягчающееся при нагревании до 80...90°С и плавящееся при 108...130°С. Его выпускают в виде гранул размером 3—5 мм или в виде белого порошка. Полиэтилен классифицируется по плотности: полиэтилен низкой плотности (910—930 кг/м³), средней плотности (930—950 кг/м³) и высокой (950—970 кг/м³). Характерная осо­бенность полиэтилена - способность сохранять эластич­ность до -70...-80 °С (т. е. высокая морозостойкость). Предел прочности при сжатии высок: 12—32 МПа, что в сочетании с низкой плотностью дает высокий коэффициент конструктивного качества. Полиэтилен хорошо противостоит действию большинства кислот, щелочей и растворителей. Водопоглощение незначительно-0,03—0,04%. Следует учитывать некоторые отрицательные особенности полиэтилена, свойственные всем линейным полимерам: сравнительно низкий модуль упругости (150—800 МПа), малую твердость, ограниченную теплостойкость, большой коэффициент теплового расширения, низкую устойчивость к атмосферному влиянию и УФ излучению, плохую адгезией к клею.

Фуллерены и фуллерит. Известны две кристаллические аллотропные модификации углерода: графит и алмаз. В 1960‐х годах было объявлено о существовании третьей аллотропной модификации углерода ‐ карбине, структура которого представляет собой упаковку одномерных линейных цепочек. Высказано мнение, что карбин является неким полимером из атомов углерода, который, строго говоря, нельзя рассматривать как кристаллическое вещество. Однако интерес к углеродным структурам никогда не угасал и в 1973 году Бочвар и Гальперин теоретически, а в 1985 году Крото с сотрудниками экспериментально показали возможность существования стабильной молекулы, состоящей из 60 атомов углерода. Затем были обнаружены молекулы состоящие из большего или меньшего числа атомов углерода, но наиболее стабильны из них ‐ С₆₀ и С₇₀ ( рисунок 1).

Рисунок 1. Структура молекул С₆₀ и С_70.

Имеющие форму замкнутой поверхности молекулы С₆₀ и С₇₀ и другие впоследствии стали называть фуллеренами, в честь американского архитектора и изобретателя Ричарда Фуллера, получившего в 1954 году патент на строительные конструкции в виде фрагментов многогранных поверхностей, которые можно использовать в качестве крыш больших зданий (цирки, выставочные павильоны и т. д.). Атом углерода имеет электронную оболочку s²p². Такая оболочка обеспечивает довольно устойчивые связи, когда соседние атомы образуют пяти‐ и шестиугольники, из которых формируются кластеры углерода. Каркас молекулы С₆₀ состоит из 12 правильных пятиугольников и 20 неравносторонних шестиугольников. Эти шестиугольники имеют длинные стороны 1,44 А и короткие 1,39 A. Координационное число атома углерода в фуллерене равняется трем. Каждый атом углерода, располагаясь на сферической поверхности молекулы С₆₀, имеет две одинарные и одну двойную связь. Структурно-поверхностные исследование образцов - нанокомпозитных тонких полимерных пленки ПЭНП+ Фуллерен проводились на базе атомно-силового микроскопа (АСМ) – 206 М (разработчик и изготовитель: ГНУ «Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси г. Минск, Беларусь.»).

Подготовленные образцы: 1) ПЭНП (чистый)- исходный; 2) ПЭНП+1 % Фуллерен C₆₀; 3) ПЭНП+3 % Фуллерен C₆₀; 4) ПЭНП+5 % Фуллерен C₆₀; 5) ПЭНП+10 % Фуллерен C₆₀ были аккуратно вырезаны в виде квадратиков размером 10×10 мм и помещены в подложку АСМ для сканирования. После сканирования полученные результаты были сохранены и преобразованы в виде 2-х и 3-х мерном изображения. Программное обеспечение, разработанное для обработки полученных АСМ изображении позволяют анализировать, сглаживать, корректировать и выполнить, удобным для пользователя операции. Результаты АСМ сканирование исследуемых образцов приведены ниже на рисунок 2:

Рисунок 2. Результаты АСМ сканирование 3D изображение образцы: А-ПЭНП (чистый), Б- ПЭНП+1 % Фуллерен C₆₀, В- ПЭНП+3 % Фуллерен C₆₀, Г- ПЭНП+5 % Фуллерен C₆₀ и Д- ПЭНП+10 % Фуллерен C₆₀.

Список литературы:

1.Аналитический отчет по данным интегрированной системы мониторинга о тенденциях и итогах развития наноиндустрии в 2011 году. Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва. 2011, 206 с.

2.Акатенков Р.В., Алдошин С.М., Алексашин В.Н. и др. Модификация стеклообразных полимеров малыми добавками углеродных наночастиц. Материалы III международной научно-технической конференции "Полимерные композиционные материалы и покрытия". 2008 г. Ярославль. С. 110—115.

3.Латыпов З.З., Поздняков О.Ф., Попов Е.О. Структурно организованные полимерные нанокомпозиты, включающие многослойные углеродные нанотрубки. Научное приборостроение, 2011, том 21, № 2. С. 30–34.

4.Wang M.W., Hsu T.C., Weng C.H. Alignment of MWNTs in polymer composites by dielectrophoresis //J. Appl. Phys. 2008. V. 42. P. 241–246.