eng
Выпуск #3/2011
В.Кодолов, В.Тринеева, Ю.Васильченко, А.Захаров
Производство и использование металл-углеродных нанокомпозитов
Производство и использование металл-углеродных нанокомпозитов
Просмотры: 5374
Поскольку одним из приоритетных направлений развития промышленности России признаны нанотехнологии, в 2010 году на предприятии была создана и начала работу научно-исследовательская лаборатория наноструктур, высокий уровень технического оснащения которой позволяет разрабатывать способы получения и исследовать свойства таких структур, а также создавать предпосылки для их практического применения.
В настоящее время в лаборатории приоритет отдан получению металл-углеродных нанокомпозитов в нанореакторах полимерных матриц. Для обоснования перспективности предлагаемого способа и исследования полученных композитов широко применяются экспериментальные и теоретические методы анализа: квантово-химические расчеты, просвечивающая электронная микроскопия, электронная дифракция, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, рентгенофазовый анализ и др.
Способ позволяет с использованием вторичного металлургического и полимерного сырья синтезировать широкий по составу, размеру и морфологии круг металл-углеродных нанокомпозитов, регулировать их структуру и расширить области применения таких композитов. Управляя размерами и формой наноструктур посредством изменения количества металлсодержащей фазы и полимерных нанореакторов, можно придавать материалам новые свойства, резко отличающие их от обычных составов.
Суть метода заключается в координационном взаимодействии функциональных групп полимера и соединений 3d-металлов в результате совместного измельчения металлсодержащей и полимерной фаз (рис.1). Далее, по установленному с помощью термогравиметрии и дифференциального термического анализа режиму, осуществляется термолиз полученной композиции, в результате которого происходит карбонизация полимера, частичное или полное восстановление соединений металлов и наноструктурирование углеродного материала в виде различных по форме и размеру образований.
Металл-углеродный нанокомпозит (MeC) представляет собой наночастицы металла, стабилизированные в углеродных нанопленочных структурах, образованных углеродными аморфными нановолокнами, ассоциированными с металлсодержащей фазой. Вследствие стабилизации и ассоциации химически активных наночастиц металла и матрицы углеродного материала образуется стабильный на воздухе и при нагреве комплекс.
На рис.2 представлены микрофотографии разных видов металл-углеродных нанокомпозитов.
Использование полученных нанокомпозитов перспективно для улучшения свойств объемных композитов, причем их введение в сверхмалых количествах (от 0,0001 до 0,001% по массе) положительным образом отражается на структуре и свойствах исследуемых материалов.
При модификации композиционных материалов наиболее сложной задачей является введение нанодобавок и равномерное их распределение в объеме. Для этих целей широко применяется получение тонкодисперсных суспензий и коллоидных растворов наночастиц в различных средах.
Одно из основных свойств полученных металл-углеродных нанокомпозитов – способность образовывать тонкодисперсные суспензии в различных средах (органических растворителях, воде, растворах поверхностно активных веществ). В зависимости от вида такого нанокомпозита средний размер частиц в тонкодисперсных суспензиях составляет 10–25 нм (рис.3).
Совместно с научными и производственными подразделениями предприятия проведены лабораторные исследования и промышленные испытания с целью модификации неорганических и органических композиционных материалов: бетонов, пенобетонов, эпоксидных связующих, клеевых композиций, поливинилхлорида, поликарбоната, поливинилацетата, огнезащитных покрытий. На рис.4 представлены результаты модификации пенобетонов металл-углеродными нанокомпозитами.
В результате проведенных испытаний можно сделать следующий вывод: введение в состав композиции модификатора на основе металл-углеродных нанокомпозитов приводит к структурированию среды, уменьшению количества дефектов, что обеспечивает улучшение физико-механических характеристик материала.
Модификация металл-углеродными нанокомпозитами (51-К-45) штатных рецептур клеев горячей вулканизации обеспечивает значительное увеличение адгезионных характеристик последних на всех исследованных клеевых границах (см. таблицу).
Для определения адгезионной прочности при отрыве и сдвиге рассматривалась схема металл-адгезив-резина-адгезив-металл. Исследования показали, что модификация рецептуры клея 51-К-45 приводит не только к значительному повышению его адгезионных характеристик, но и к изменению характера разрушения с адгезионно-когезионного на когезионный.
Важно отметить, что присутствие в составе нанокомпозитов соединений металла может придать конечному материалу дополнительные характеристики, например, магнитную восприимчивость и электропроводность.
Таким образом, разработан экономичный и эффективный способ получения активных модификаторов различных материалов. Практическая значимость разработок подтверждена серией патентов на способ получения нанокомпозитов и тонкодисперсных суспензий на их основе.
Лаборатория предлагает готовую продукцию и разработку проектов наномодификации материалов по условиям заказчика.
Более подробную информацию можно получить по телефонам 8(3412) 903068 или 903232
Способ позволяет с использованием вторичного металлургического и полимерного сырья синтезировать широкий по составу, размеру и морфологии круг металл-углеродных нанокомпозитов, регулировать их структуру и расширить области применения таких композитов. Управляя размерами и формой наноструктур посредством изменения количества металлсодержащей фазы и полимерных нанореакторов, можно придавать материалам новые свойства, резко отличающие их от обычных составов.
Суть метода заключается в координационном взаимодействии функциональных групп полимера и соединений 3d-металлов в результате совместного измельчения металлсодержащей и полимерной фаз (рис.1). Далее, по установленному с помощью термогравиметрии и дифференциального термического анализа режиму, осуществляется термолиз полученной композиции, в результате которого происходит карбонизация полимера, частичное или полное восстановление соединений металлов и наноструктурирование углеродного материала в виде различных по форме и размеру образований.
Металл-углеродный нанокомпозит (MeC) представляет собой наночастицы металла, стабилизированные в углеродных нанопленочных структурах, образованных углеродными аморфными нановолокнами, ассоциированными с металлсодержащей фазой. Вследствие стабилизации и ассоциации химически активных наночастиц металла и матрицы углеродного материала образуется стабильный на воздухе и при нагреве комплекс.
На рис.2 представлены микрофотографии разных видов металл-углеродных нанокомпозитов.
Использование полученных нанокомпозитов перспективно для улучшения свойств объемных композитов, причем их введение в сверхмалых количествах (от 0,0001 до 0,001% по массе) положительным образом отражается на структуре и свойствах исследуемых материалов.
При модификации композиционных материалов наиболее сложной задачей является введение нанодобавок и равномерное их распределение в объеме. Для этих целей широко применяется получение тонкодисперсных суспензий и коллоидных растворов наночастиц в различных средах.
Одно из основных свойств полученных металл-углеродных нанокомпозитов – способность образовывать тонкодисперсные суспензии в различных средах (органических растворителях, воде, растворах поверхностно активных веществ). В зависимости от вида такого нанокомпозита средний размер частиц в тонкодисперсных суспензиях составляет 10–25 нм (рис.3).
Совместно с научными и производственными подразделениями предприятия проведены лабораторные исследования и промышленные испытания с целью модификации неорганических и органических композиционных материалов: бетонов, пенобетонов, эпоксидных связующих, клеевых композиций, поливинилхлорида, поликарбоната, поливинилацетата, огнезащитных покрытий. На рис.4 представлены результаты модификации пенобетонов металл-углеродными нанокомпозитами.
В результате проведенных испытаний можно сделать следующий вывод: введение в состав композиции модификатора на основе металл-углеродных нанокомпозитов приводит к структурированию среды, уменьшению количества дефектов, что обеспечивает улучшение физико-механических характеристик материала.
Модификация металл-углеродными нанокомпозитами (51-К-45) штатных рецептур клеев горячей вулканизации обеспечивает значительное увеличение адгезионных характеристик последних на всех исследованных клеевых границах (см. таблицу).
Для определения адгезионной прочности при отрыве и сдвиге рассматривалась схема металл-адгезив-резина-адгезив-металл. Исследования показали, что модификация рецептуры клея 51-К-45 приводит не только к значительному повышению его адгезионных характеристик, но и к изменению характера разрушения с адгезионно-когезионного на когезионный.
Важно отметить, что присутствие в составе нанокомпозитов соединений металла может придать конечному материалу дополнительные характеристики, например, магнитную восприимчивость и электропроводность.
Таким образом, разработан экономичный и эффективный способ получения активных модификаторов различных материалов. Практическая значимость разработок подтверждена серией патентов на способ получения нанокомпозитов и тонкодисперсных суспензий на их основе.
Лаборатория предлагает готовую продукцию и разработку проектов наномодификации материалов по условиям заказчика.
Более подробную информацию можно получить по телефонам 8(3412) 903068 или 903232
Отзывы читателей
