Сейчас с уверенностью можно утверждать, что одним из наиболее перспективных, а также многообещающих направлений развития современной науки является нанотехнология. Исходя из самого названия „нанотехнология“ можно заключить, что данное научное направление работает с объектами, размеры которых измеряются нанометрами („нано“ – означает 10-9 м). То есть нанотехнология – это процесс получения и использования материалов, состоящих из наночастиц (наноматериалы, нанокристаллы, нанокомпозиты). Если говорить о полимерных композиционных материалах, то здесь следует начать с определения понятия „композиционный материал“. По определению, композиционными называют материалы, состоящие из двух или более фаз с четкой межфазной границей системы, которые содержат усиливающие (армирующие) элементы (волокна, пластины, частицы) с различным отношением длины к сечению (что и создает усиливающий эффект), погруженные в полимерную матрицу. Механические свойства композиционного материала в большой степени зависят от межфазного взаимодействия между полимерной матрицей и армирующими элементами, то есть от величины адгезии. Естественно, чем выше адгезия полимерной матрицы к армирующим элементам, тем прочность композита будет выше. Если же говорить о нанокомпозиционных полимерных материалах, то использовать определение „армирующий наполнитель“ применительно к наночастицам не совсем верно. В нанокомпозитах наночастицы взаимодействуют с полимерной матрицей не на макро– (как в случае с композиционными материалами), а на молекулярном уровне. В следствие такого взаимодействия образуется композиционный материал, обладающий высокой адгезионной прочностью полимерной матрицы к наночастицам. Следует отметить, что нанокомпозиция имеет упорядоченную внутреннюю структуру. Композиционными называют материалы, состоящие из двух или более фаз с четкой межфазной границей системы, которые содержат усиливающие (армирующие) элементы (волокна, пластины, частицы) с различным отношением длины к сечению (что и создает усиливающий эффект), погруженные в полимерную матрицу. Кроме того, для получения полимерного композиционного материала с заданными механическими, химическими, диэлектрическими или же теплофизическими свойствами необходимо было ввести в полимерную матрицу определенное количество модифицирующего наполнителя. Причем если говорить о композиционных материалах, армированных макроэлементами, то, как правило, количество вводимого в полимер наполнителя исчислялось десятками массовых процентов. В случае нанокомпозитов речь идет о гораздо меньших количествах вводимого модифицирующего наполнителя. В качестве примера можно привести создание композита на полимерной основе с наполнителем из наночастиц серебра. При концентрации серебра всего в несколько десятитысячных долей процента композит проявляет необычайно сильное бактерицидное действие. Другой пример из области нанокомпозиционных материалов – создание сверхплотного пенопласта, укрепленного частицами глины. При содержании в полимерной пене всего 5% частиц глины инженерами был создан материал, который по своим прочностным показателям не отличался от известных конструкционных полимерных композиционных материалов, используемых для создания деталей корпуса и салона в такой технике, как автомобили и самолеты. Следует также упомянуть тот факт, что при уменьшении размеров частиц вещества до нанометровых величин изменяются физические свойства вещества. Так, например, переход к нанокристаллам приводит к увеличению теплоемкости палладия более чем в 1,5 раза, обусловливает возрастание растворимости висмута в меди в 4000 раз, вызывает повышение коэффициента самодиффузии меди при комнатной температуре на 21 порядок (!). Такие изменения свойств веществ объясняются количественным изменением соотношения поверхностных и объемных атомов индивидуальных частиц, то есть высокой удельной поверхностью. Однако уникальные свойства наноматериалов затрудняют их получение. Избыточная поверхностная энергия заставляет наночастицы слипаться, агрегироваться. Кроме того, наночастицы химически активны и при взаимодействии с другими веществами часто теряют свои уникальные свойства. Таким образом, нельзя получить нанокомпозиционный полимерный материал по известным и отработанным технологиям. Технология получения нанокомпозиционного материала в первую очередь зависит от типа наночастиц, которые вводятся в полимер. Так, при получении нанокомпозитов на основе различной керамики и полимеров применяется зольгель-технология, в которой исходными компонентами служат алкоголяты некоторых химических элементов и органические олигомеры. Сначала алкоголяты подвергают гидролизу, а затем проводят реакцию поликонденсации гидроксидов. В результате образуется керамика из неорганической трехмерной сетки. Существует также метод синтеза, в котором полимеризация и образование неорганического стекла протекают одновременно. Возможно применение нанокомпозитов на основе керамики и полимеров в качестве специальных твердых защитных покрытий, а также как оптические волокна. Слоистые нанокомпозиты получают на основе керамики и полимеров, но с использованием природных слоистых неорганических структур, таких как монтмориллонит или вермикулит, которые встречаются, например, в глинах. Слой наполнителя, толщина которого составляет ~1нм, насыщают раствором мономера, а затем проводят полимеризацию. Слоистые нанокомпозиты по сравнению с исходной полимерной матрицей обладают гораздо меньшей проницаемостью для жидкостей и газов. Это позволяет использовать их для медицинской и пищевой промышленности. Полимерные металлосодержащие нанокомпозиты можно получить, например, совместным осаждением паров металла и активного предшественника (мономера) с последующей его полимеризацией. Полученные металлосодержащие материалы оптически прозрачны, высоко проницаемы для низкомолекулярных веществ, а потому пригодны для использования в качестве оптических и люминесцентных микроприборов, катализаторов и т.д. Технология получения полимерных нанокомпозитов не стоит на месте, ее развитие направлено на упрощение и удешевление способов получения композиционных материалов, содержащих в своем составе наночастицы. Например, компания Hybrid Plastics разработала POSS-добавки (полиэдральный олигомерный силсесквиоксан) – минеральный наполнитель на основе кремния, в виде кристаллических твердых веществ, жидкостей и масел. Совсем недавно эти продукты оценивались в диапазоне 1000 долларов за фунт, однако теперь их продают уже по 50 долларов за фунт. Следует сказать, что нанотехнология еще очень молодое научное направление и пока находится на стадии первичного развития – когда основная часть информации и знаний используется только в лабораторных условиях. Однако нанотехнологии развиваются высокими темпами, и то, что еще вчера казалось невозможным, завтра будет доступно для внедрения в промышленных масштабах. Автор: А. О. Третьяков www.newchemistry.ru |
