Plastics_4_2010

ТЕМА НОМЕРА /ОБЗОР П Л А С Т И К С № 4 ( 8 6 ) 2 0 1 0 w w w . p l a s t i c s . r u 23 Сегодня много говорится об огромных перспективах, которые открывает использование полимерных композиционных материалов, наполненных наночастицами, и рынок уже предлагает подобные композиты. Опираясь на собственный опыт работы с полимерными нанокомпозитами, автор статьи анализирует состояние дел в вопросе упрочнения реактопластов углеродными нанотрубками и рассматривает технологические проблемы, возникающие при создании наноматериалов Концентрация наночастиц Углеродные нанотрубки (УНТ) об- ладают рядом уникальных свойств (табл. 1), относятся к наиболее важ- ным объектам современной нанотех- нологии и могут стать основой нового поколения разнообразных материалов, приборов и устройств. Изучение свойств полимерных на- нокомпозитов с углеродными нано- трубками на основе реактопластов (по- лиэфирных, эпоксидных и фенольных) привело к пониманию того, что после получения первых положительных результатов необходимо пройти этап разработки устойчивых технологиче- ских методов введения наночастиц в матрицу. Поскольку исследования не унифицированыи проводятся разными авторами по индивидуальным методи- кам, это не дает возможности прово- дить полноценный сравнительный анализ результатов. Основными проблемами, с которы- ми приходится сталкиваться исследо- вателям, являются определение опти- мальной концентрации наночастиц и равномерное их распределение по все- му объему матрицы. Это необходимо не только для того, чтобы максималь- но использовать огромную удельную площадь поверхности УНТ, которая порой достигает 1000 м 2 /г, но и для того, чтобымаксимально задействовать их поверхностную энергию. Согласно теории Ван-дер-Ваальса, это связано с тем, что межмолекулярное взаимодей- ствие имеет электрическую природу, а сами УНТ можно рассматривать как заряженные молекулы-диполи. Углеродные нанотрубки каждого производителя обладают своими инди- видуальными характеристиками (диа- метр, длина, количество слоев, удель- ная площадь поверхности, дефектность поверхности, количество примесей, наличие функциализации). Из вышесказанного можно сделать важный вывод, что оптимальная кон- центрация УНТ в полимере, обеспе- чивающая максимальные прочност- ные характеристики нанокомпозита, для каждого конкретного вида на- ночастиц должна быть единственно возможной (рис. 1). До достижения этой концентрации прочностные характеристики будут равномерно возрастать. Превышение оптималь- ной концентрации приведет к тому, что силы притяжения молекул УНТ начнут превышать силы отталкива- ния, а это, в свою очередь, приведет к образованию агломератов. Много- численными же исследованиями до- казано, что наличие агломератов в на- нокомпозите приводит к ухудшению прочностных характеристик. Введение и распределение УНТ Важным фактором в деле получения улучшенных характеристик наноком- позита является выбор методов вве- дения и равномерного распределения УНТ по всему объему полимерной ма- трицы. Дело в том, что под действием очень мощных ван-дер-ваальсовых сил одиночные УНТ образуют устойчивые агломераты (рис. 2). Исследователи прошли несколько этапов в поисках способов разделения агломератов на отдельные УНТ и их равномерного распределения, при- меняя механические, ротационные и трехвалковые растирающие дисперга- торы (рис. 3). Но оказалось, что проч- ность агломератов УНТ, которые об- Механические свойства материалов Сталь углеродистая Арамидные волокна Углеродные волокна Однослойные УНТ Многослойные УНТ Плотность, кг/м 3 7,8 1,4 1,7 1,4 1,8 Прочность на растяжение, ГПа 0,4 4,5-5,2 3,0-7,0 300-1500 300-600 Модуль упругости, ГПа 200 80 200-800 1000-5000 500-1000 Удельная прочность, ГПа 0,05 3,5-4,0 2,0- 4,0 150-750 200-300 Удельный модуль упругости, ГПа 26 57 100-400 500-2500 250-500 Предельное растяжение, % 26 2,5-3,5 1-3 20-40 20-40 Таблица 1. Сравнение механических свойств материалов