Использование наночастиц со специальными свойствами может обеспечить наноструктурирование материалов в объеме. Актуален синтез эффективных наномодификаторов. В статье обсуждаются достижения в этой области. В России существуют разработки, в том числе Научно-технического центра прикладных нанотехнологий.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 1993-8578
ISSN 2687-0282 (online)
Книги по нанотехнологиям
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Пул Ч.П. мл., Оуэнс Ф.Дж.
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #8/2012
А.Пономарев
Развитие прикладных нанотехнологий в России
Просмотры: 4128
Использование наночастиц со специальными свойствами может обеспечить наноструктурирование материалов в объеме. Актуален синтез эффективных наномодификаторов. В статье обсуждаются достижения в этой области. В России существуют разработки, в том числе Научно-технического центра прикладных нанотехнологий.
Комплекс реализованных в НТЦ ПМ исследовательских и опытно-конструкторских работ по практическому использованию фуллероидных наноматериалов в машиностроении и строительстве включает:
синтез, исследование и организацию производства многослойных наночастиц фуллероидного типа – астраленов и их производных (патенты РФ №2196731, №2397950, товарный знак
№211172, ТУ 2166-001-13200628-
2003);
опытное производство углеродосодержащих композиционных нано-материалов как основы серийных наноструктурированных полимеров и композитов (ТУ-2166-004-13200628-2005);
разработку и внедрение углеродных нанокластеров фуллероидного типа как модификаторов конструкционных материалов;
введение фуллероидных наноматериалов в минеральные композиции и получение наномодифицированных бетонов с повышенными эксплуатационными характеристиками (патенты РФ №2233254, №2355656 и №2436749);
создание композиций на минеральных вяжущих различного назначения, отделочных и лакокрасочных с фотодинамической самостерилизацией;

управление подвижностью цементных и бетонных растворов и модификацию свойств пластификаторов различных типов;
модификацию фуллероидными наноматериалами межфазных границ в различных конденсированных средах, повышение физико-механических и теплофизических характеристик клеев, конструкционных углепластиков, стеклопластиков и других композиционных материалов (совместные патенты с ВИАМ);
повышение эксплуатационного ресурса и создание защитных гидрофобизирующих покрытий, в том числе для электронной аппаратуры и памятников архитектуры (патент РФ №2211206);
управление диффузией в композиционных сплавах, получение модифицированных фуллероидными наночастицами сплавов на основе меди с повышенными электро- и триботехническими характеристиками (патент РФ №2224039);
получение на основе астраленов стабильных реверсивных нелинейно-оптических сред для ограничения потоков электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне (патент РФ №2238577);
использование фуллероидов для создания покрытий с высокой теплопроводностью и поглощением в радиочастотной области электромагнитного спектра;
производство астраленов и их аддуктов, растворимых в полярных растворителях, в том числе в воде, опытно-экспериментальное производство таких наноматериалов.
Одними из первых наночастиц, использованных для модификации свойств материалов, были фуллерены и их аналоги. Серьезные надежды возлагались на эти высокоупорядоченные кластеры в связи с их квазиароматическим строением. Однако вскоре выяснилось, что хотя фуллерены и приводят к некоторому изменению функциональных свойств ряда материалов, однако такие изменения чаще всего слишком малы, чтобы обеспечить промышленное применение этих, весьма дорогостоящих, компонентов. То же самое можно сказать и о появившихся позднее углеродных нанотрубках различного вида. С точки зрения наноиндустрии, наиболее актуальна проблема синтеза эффективных и относительно недорогих наномодификаторов, которые бы заметно изменяли надмолекулярную и надкристаллическую структуру веществ и значительно улучшали их функциональные свойства при крайне небольшой собственной массовой доле.
Подобного типа углеродные наночастицы, получившие название "астралены", были открыты и запатентованы в НТЦ ПН [1, 2]. Эти частицы не растворяются в известных растворителях и химически инертны до высоких температур, однако благодаря своей особой топологии способны сильно изменять структуру межфазных границ в различных композитах [3]. Такое влияние, наряду с увеличением эффективности трехмерной сшивки в реактопластах и уменьшением свободного объема в полимерах в целом, позволяют весьма значительно (до 20–50%) увеличивать прочность на растяжение и изгиб, сдвиговую и усталостную прочность, а также до двух раз снижать водопоглощение полимерных композитов [4]. При этом количество вводимых наночастиц, ввиду их высокой эффективности, составляет сотые доли мас.%.
Весьма интересные результаты получены при использовании астраленов как наномодификаторов при изготовлении первапорационных разделительных мембран из термореактивных и термопластичных полимеров [5]. Так, введение астраленов в количестве 0,01 мас.% в полтора раза увеличивает прочность мембран и улучшает на несколько порядков их селективность при разделении органических жидкостей. Правда, для введения астраленов в матрицы обрабатываемых материалов требуется специализированное мощное ультразвуковое оборудование, которое имеется далеко не везде.
В целях преодоления этой проблемы в НТЦ ПН были синтезированы аддукты нанокластеров углерода (АНКУ) с общей формулой Сn(ОН)m(ОSO2)t [6], растворимые в воде и в некоторых полярных растворителях, а при температурах выше 150оС отщепляющие функциональные группы. Поскольку эти наночастицы растворимы с образованием истинных растворов, то, например, для пленок легированного ими целлофана было достигнуто почти полуторакратное увеличение прочности на разрыв, а для углепластиков – повышение сдвиговых характеристик на 12–20% и усталостной прочности на – 20–40%. Ниже приведены некоторые примеры опытно-промышленного применения астраленов и АНКУ (техническое название "астралены С") для модификации ряда материалов, что свидетельствует о перспективности данного направления.
В частности, за счет введения указанных углеродных наносоединений и использования нанотехнологических методов возможно направленное формирование свойств композитов на минеральной основе – бетонов. Синергические эффекты одновременного применения нескольких методик (инициирование направленной кристаллизации цементного камня и повышение водоредуцирования бетонных смесей) позволили создать бетоны с высокими параметрами. Использование таких бетонов дает возможность значительно изменить подходы к проектированию ряда объектов, в том числе транспортных (автодорожные мосты), высотных сооружений из монолитного железобетона, бетонных градирен и сейсмоустойчивых зданий, обеспечивая при этом значительный экономический эффект.
С использованием астраленов было создано целое семейство высококачественных легких наноструктурированных бетонов (БЛН) с повышенными эксплуатационными характеристиками [7], имеющими плотность 1,4–1,6 т/м3, прочность на сжатие 4060 МПа, класс водонепроницаемости W16-W20, морозостойкость до F400. Использование этих материалов открывает новую эру в гражданском и специальном строительстве. Они уже применены в качестве дорожной плиты при реконструкции мостов в России, в частности, моста федерального значения через Волгу
в Кимры (Тверская обл.), моста
в Вятку через одноименную реку. В настоящее время идет производство работ по заливке с помощью БЛН пустот в опорах разводной части Дворцового моста в С.-Петербурге.
Прошли государственную экспертизу проекты ряда других крупных мостовых переходов, в которых также предполагается использование БЛН. В их числе – Большой Москворецкий мост
в Москве, Восточный мост через
Волгу в Тверь.
Обобщая результаты применения БЛН, а также проектные оценки ряда строительных конструкций, в том числе высотных, можно сделать выводы:
снижается масса и повышаются несущие характеристики отдельных конструкций, вследствие чего уменьшаются сечения стальных армирующих элементов и объемы укладки бетона не менее, чем на 30%;
изменяется система армирования и уменьшается количество потребляемой арматуры;
уменьшается нагрузка на грунт, вследствие чего упрощаются конструкции фундаментов и более чем вдвое снижаются объемы работ нулевого цикла;
из конструкций сооружений исключается специальная и общая гидроизоляция;
не менее чем на 30% удешевляются работы по строительству высотных монолитных железобетонных конструкций;
повышается пожарная безопасность зданий и сооружений;
снижаются затраты на элементы опалубки за счет уменьшения ее толщины и массы, увеличения эксплуатационного ресурса;
обеспечивается экономия при монтаже сейсмоизоляторов за счет уменьшения их количества либо снижения класса и несущих характеристик в районах высокой сейсмической активности;
улучшается надежность и безопасность сейсмостойкого строительства в целом.
Комплексный подход, включающий методы наномодификации, дисперсное армирование и выбор специальных наполнителей, позволил создать семейство коррозионно-стойких покрытий под общей маркой "ЭпоксиПАН" для защиты поверхности бетона, керамики и натурального камня, а также металлов от агрессивных сред [6]. Покрытие "ЭпоксиПАН" является противовандально-декоративным и антикоррозионно-гидроизолирующим самоуплотняющимся композитным материалом на водной основе. Этот материал характеризуется высокой (более 3,0 МПа) адгезией к защищаемым поверхностям, высокими прочностью, коррозионной и износостойкостью, длительным сроком службы (более 30 лет). Такие покрытия перспективны для широкого применения в промышленно-гражданском строительстве, в нефтехимической промышленности, при транспортировке и очистке сточных вод, в машиностроении и на транспорте.
Продукция НТЦ ПН применяется для создания конструкционных и молниезащитных углепластиков; бронз электротехнического назначения; модифицированной базальтовой микрофибры; комплексных добавок для цементных бетонов; вакуумплотных клеев; наноактиваторов, вводимых в топливную смесь тепловых электростанций (ТЭС).
Экспериментально показано, что внесение каталитических количеств ряда углеродных наноматериалов (астраленов, таунита, АНКУ) меняет характер воспламенения и интенсивность горения твердого топлива на ТЭС, причем увеличение скорости окисления топлива и верхнего порогового уровня температуры проявляется уже при количестве нанокатализаторов в 0,001% [8]. Использование такого подхода позволяет, не меняя конструкцию котла, отказаться от "подсветки" топлива (частично или полностью), снизить его расход, уменьшить вредные выбросы. В целом промышленное применение углеродных наноматериалов позволит существенно повысить КПД ТЭС, что, несомненно, должно стать серьезным прорывом в теплоэнергетике.
Еще одно направление использования разработок НТЦ ПН связано с улучшением свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) в держателях обрабатывающего инструмента в машиностроении. Углепластики (УП) уверенно занимают свою нишу в машиностроении, демонстрируя высокие удельные показатели статической прочности и жесткости, выносливости при динамических нагрузках, стабильности размеров в диапазоне -60–200oС, однако идея их применения в инструментальном производстве является оригинальной. При этом использование углеродных фуллероидных наномодификаторов открывает новые пути оптимизации структуры и свойств ПКМ для повышения эффективности вибродемпфирования обрабатывающего инструмента [9]. Пластифицирование эпоксидных матриц наночастицами производных фуллерена С60 и создание в композите наноуровневой системы "стопперов" микротрещин и проводящих элементов из астраленов позволяют увеличить на 30–40% удельную энергию разрушения и в 4–5 раз – межслоевую проводимость УП [10].
Важно отметить, что на все эти продукты имеются полные комплекты соответствующей документации. Они либо уже производятся, либо готовы к серийному и крупносерийному производству.
Литература
1. Патент РФ № 2196731. 20.01.2003.Полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа. / Пономарев А.Н., Никитин В.А.
2. Патент РФ №2397950. 23.04.2008. Многослойные углеродные наночастицы фуллероидного типа тороидальной формы. / Пономарев А.Н., Юдович М.Е.
3. Пономарев А.Н., Юдович М.Е., Груздев М.В., Юдович В.М. Неметаллическая наночастица во внешнем электромагнитном поле. Топологические факторы взаимодействия мезоструктур. – Вопросы материаловедения, 2009, вып.4(60), с.17–22.
4. Косицкий Д.В., Юдович В.М., Юдович М.Е., Пономарев А.Н. Влияние фуллероидных частиц-астраленов на водопоглощение эпоксидной смолы. – Журнал прикладной химии, 2004, т.77, вып.8, с.1398–1400.
5. Юдович В.М., Юдович М.Е., Тойкка А.М., Пономарев А.Н. Физико-химические свойства пленочного нанокомпозитного материала полифениленоксид-астрален и возможность его использования при мембранном разделении. – Вестник С.-Петербургского университета, 2009, сер.4, вып.3, с.59–65.
6. www.nanotech.ru
7. Пономарев А.Н. Высококачественные бетоны. Анализ возможностей и практика использования методов нанотехнологии. – Инженерно-строительный журнал, 2009, №6,
с.25–33.
8. Алексенко А.Г., Ефимов Н.Н., Паршуков В.И., Пономарев А.Н. Наномодификация твердых топлив для тепловых электростанций. – Нанотехника, 2009, №3.
9. Патент РФ №2354526. 12.03.2007. Инстру-мент для механической обработки деталей. / Пономарев А.Н., Меза О.
10. Гуняев Г.М., Каблов Е.Н., Ильченко С.И., Алексашин В.М., Кривонос В.В., Комарова О.А., Пономарев А.Н., Лобач А.С., Никитин В.А., Спицына Н.Г., Косицкий Д.В. Наномодифицированные углепластики с повышенной вязкостью разрушения. Труды ТПКММ-2006. –
М.: Знание, 2006, с.88–98.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art