В последнее время потребность в передовых материалах в современных технологических приложениях привела к разработке материалов нового поколения путем объединения интеллекта с инженерными методами.
Ожидается, что эти материалы, называемые «умными» или «интеллектуальными», будут реагировать на различные виды внешних раздражителей и проявлять свои свойства в оптимальных условиях.
В этом смысле разработка этих материалов будет важной задачей в различных областях науки и техники, а именно в биомедицинских, автомобильных, микроэлектронных, космических, а также в компьютерных технологиях.
Примеры современных умных материалов (smart materials):
- Термохромные композиционные материалы;
- Пьезоэлектрические полимерные пленки;
- Полимеры с памятью формы;
- Самособирающиеся полимерные наноструктуры;
- Электроактивные полимерные композиты;
- Полимерные нанокомпозиты;
- Полимерные материалы на основе шелка;
- Полимеры с молекулярным отпечатком.
Последние достижения в области нанотехнологий в области полимерных нанокомпозитных материалов
Нанотехнология включает в себя исследования, производство и применение структур из наночастиц, трубчатых структур, листов или пластин размером менее 100 нанометров (нм) по крайней мере в одном измерении.
Включения наночастиц в органические вещества продемонстрировали улучшенные свойства, необходимые для достижения эстетики, антикоррозионную, термическую стабильность для высокотемпературных характеристик, механическую прочность, необходимую для сопротивления износу покрытия в суровых условиях, наноархитектурные сшивки, способные препятствовать проникновению коррозионных веществ, и объекты биообрастания.
В области нанотехнологий одной из самых популярных областей текущих исследований и разработок являются полимерные нанокомпозиты (Polymer nanocomposites, PNC, ПНК), и область исследований охватывает широкий круг тем: наноэлектронику, полимерные бионаноматериалы, армированные ПНК, системы доставки лекарств на основе нанокомпозитов и т. д.
Полимерный нанокомпозит представляет собой композиционный материал, содержащий полимерную матрицу (Polymer matrix) и неорганическую дисперсионную фазу, которая имеет по крайней мере одно измерение, имеющее нанометрический масштаб.
Рисунок, иллюстрирующий составные части полимерных нанокомпозитов
Полимерные нанокомпозиты являются важной категорией материалов, демонстрирующих отличные физико-химические свойства, недоступные отдельным компонентам, действующим в одиночку.
Эти многофункциональные нанокомпозиты обладают не только отличными механическими свойствами, но и демонстрируют выдающееся сочетание оптических, электрических, тепловых, магнитных и других физико-химических свойств.
Согласно теоретическим предположениям, идея ПНК основана на концепции создания очень большой границы раздела между наноразмерными неоднородностями и макромолекулами чистого полимера.
Предполагается, что большая поверхность раздела между наночастицами и макромолекулами приводит к необычным свойствам по сравнению с обычными микронаполненными полимерными композитами.
Полимерная матрица (или полимерное связующее) и нанонаполнитель взаимодействуют на молекулярном уровне. В результате нанонаполнители с размерами менее 100 нм, добавляемые в небольшом количестве (обычно несколько процентов) в матрицу, могут существенно изменить выбранные свойства композита.
Матрица является связующим веществом: она связывает волокна, в состав которых иногда входят нанонаполнители. Она придает желаемую форму, а также химические и термические свойства.
В нанокомпозитах значительное усиление и улучшение других свойств, таких как пониженная воспламеняемость и повышенная проводимость, часто достигаются при низкой концентрации нанонаполнителей. Однако эти эффекты сильно зависят от труднодостижимого однородного распределения нанодобавки в полимерной матрице.
Основной сложной характеристикой ПНК являются сложные межфазные области между наночастицами и полимерными матрицами.
Примеры использования нанокомпозитных материалов
Полимерные нанокомпозиты существуют уже несколько десятилетий. Тем не менее, отсутствие эффективных инструментов характеристики мешало глубокому пониманию их материального поведения, тем самым ограничивая коммерческую значимость.
Однако в последние годы стремительное развитие технологии полимерных нанокомпозитов, катализированная эволюцией новых теорий и методов, связанных с их синтезом и характеристикой, позволила человечеству глубже и глубже проникнуть в корни такой гибридной технологии.
Соответственно, электронные микроскопы в сочетании с различными другими спектральными инструментами активизировали исследования и разработки в области этой очень перспективной технологии.
Относительно недавно были разработаны полимерные нанокомпозитные покрытия для применения в упаковочной, автомобильной, биомедицинской, морской, нефтегазовой промышленности и энергетике. Электромеханические свойства этих материалов обеспечивают их пригодность для использования в аэрокосмических приложениях.
Пример использования нанокомпозитных материалов в автомобилях Toyota
Хотя теория конструкции из нанокомпозитов была разработана в 1950 году, только когда Центральная научно-исследовательская лаборатория Toyota в 1988 году подала собственный патент на систему нанокомпозитов, конкретный метод создания этого материала стал более ясным.
Материал, разработанный Toyota, представлял собой наноглину-полиамид, который компания назвала Nylon-6, в котором использовались расслоенные листы синтетической глины толщиной примерно в пять атомов между слоями базового материала из нейлонового полимера.
После обширных испытаний различных материалов и пропорций в патенте Toyota утверждалось, что механические свойства полимера можно наиболее эффективно улучшить, укладывая наноразмерные листы силиката между молекулами первичного полимера.
Изображение из статьи BBC News: Глиняные композиты, смоделированные в «виртуальной лаборатории»
Интересно, что этот нанотехнологический «бутерброд» также наблюдается в природных материалах, таких как кость и перламутр, при этом незначительное количество, но относительно большая площадь поверхности армирующего наноматериала оказывает существенное влияние на свойства готового композита.
Материал, разработанный Toyota, представлял собой наноглину-полиамид, который компания назвала Nylon-6, в котором использовались расслоенные листы синтетической глины толщиной примерно в пять атомов между слоями базового материала из нейлонового полимера.
По сравнению с чистым нейлоном Toyota обнаружила, что ее нанокомпозит, состоящий из 95 процентов нейлона и 5 процентов глины, обладает значительно более высокой прочностью на растяжение и устойчивостью к деформации при нагревании.
После этой разработки Toyota выпустила свой первый нанокомпозитный продукт в 1993 году в виде покрытия ремня ГРМ для Toyota Camry.
С 2001 года за этим последовали более крупные изделия, такие как бамперы, панели кузова и топливные баки, а в настоящее время технология расширилась, чтобы снизить сопротивление качению шин, а также обеспечить сверхтвердые защитные покрытия для лакокрасочного покрытия, ветрового стекла и фар.
Работа Toyota по раскрытию возможностей нанокомпозитов помогла увеличить разнообразие базовых материалов, которые можно улучшить с помощью нанотехнологий.
Классификация нанонаполнителей для ПНК
Нанонаполнители для ПНК можно классифицировать по их химической природе или типу физической структуры, однако чаще всего их классифицируют по форме частиц.
Существуют нанонаполнители:
- 1D - линейный (например, углеродные нанотрубки);
- 2D - пластинчатый (например, монтмориллонит);
- 3D – порошок (например, наночастицы серебра).
Изготовление нанокомпозитов из углеродных нанотрубок
Углеродные нанотрубки (УНТ) были на переднем крае исследований в области нанотехнологий в течение последних двух десятилетий.
Интерес к УНТ обусловлен их уникальными физическими и химическими свойствами, превосходящими свойства большинства других материалов.
Чтобы использовать УНТ в макромасштабных приложениях, нанотрубки можно прясть для формирования непрерывных волокнистых материалов. Пока свойства волокон намного ниже свойств отдельных нанотрубок.
Если бы электрические и механические свойства волокон можно было бы улучшить, полученные материалы из суперволокна изменили бы промышленность и общество. Например, материалы с УНТ могут заменить медные провода, обеспечивая более легкие и прочные кабели для аэрокосмических приложений.
Углеродные нанотрубки являются идеальным выбором в качестве наполнителя как для структурных, так и для функциональных применений, поскольку углеродные нанотрубки могут привести к резкому улучшению свойств полимеров при очень низком содержании наполнителя.
Углеродная нанотрубка
Углеродные нанотрубки и фуллерены синтезируются в лабораториях тремя основными методами: дуговым разрядом и методами лазерного испарения, которые позволяют получать как углеродные нанотрубки, так и фуллерены, и методом химического осаждения из паровой фазы, который в основном использовался для производства углеродных волокон, а в настоящее время он используется для производства углеродных нанотрубок.
За последнее десятилетие исследователи всего мира приложили огромные усилия для разработки непрерывного волокна на основе углеродных нанотрубок, которое стало уникальным новым членом семейства углеродных волокон.
Электропроводность полимеров может быть резко увеличена, в 1010–1015 раз, после включения относительно небольших количеств УНТ, которые образуют перколяционную сеть.
Углеродные нанотрубки имеют более высокие значения модуля упругости, прочности и деформации разрушения, чем у углеродных волокон, которые используются для армирования полимерной матрицы и композиционных материалов с углеродной матрицей.
Равномерное диспергирование углеродных нанотрубок в полимерной матрице имеет решающее значение для изготовления нанокомпозитов с хорошо распределенным армированием.
Межфазная адгезия между полимерной матрицей и углеродными нанотрубками важна для эффективной передачи напряжения или нагрузки, а также для улучшения свойств материала нанокомпозитов.
Структура молекулярной решетки кристаллической части полиэтиленового полимера с зигзагообразными цепями (CH2)n, окружающими углеродную нанотрубку
Полимерные нанокомпозиты с углеродными нанотрубками — идеальный материал, если требуется высокая чистота: дисковые накопители, антистатические элементы в автомобильной промышленности (топливные баки и элементы топливной системы в виде корпусов фильтров или насосных модулей), барьер, ограничивающий выбросы от топливной системы.
Использование токопроводящих пластиков позволяет окрашивать в электростатическом поле многие детали автомобиля (бамперы, колпаки, корпуса зеркал, дверные ручки, фурнитуру салона).
В будущем у нановолокон может быть множество новых применений, в том числе в технологиях, материаловедении и медицине.
Во многих научных центрах ведутся интенсивные исследования по их использованию при лечении мягких тканей, в качестве носителей лекарств или перевязочных материалов, в качестве субстратов для тканевой инженерии.
Применение полимерных автиокомпозитов в авиостроении
Полимерные нанокомпозиты для энергетики
Полимерные нанокомпозиты широко применяются во многих областях, особенно в автомобильной и упаковочной промышленности.
Еще одно перспективное применение полимерных нанокомпозитов — это энергетика, которая включает в себя производство и хранение энергии. Среди видов наиболее часто применяемых нанонаполнителей для нанокомпозитов в энергетике можно назвать оксиды металлов, наноглины, углеродные нанотрубки и графены.
Их уникальные свойства, особенно очень высокая электропроводность, а также устойчивость к окружающей среде, теплопроводность, и хорошая механическая прочность очень желательны для улучшения существующих устройств, связанных с энергией, а также для создания нового поколения интеллектуальных энергетических устройств.
Полимерные нанокомпозиты могут использоваться в процессах производства и хранения энергии, такие как:
- термоэлектрические генераторы,
- солнечные фотоэлектрические элементы,
- суперконденсаторы,
- топливные элементы;
- системы хранения водорода.
С минимальными усилиями полимерные нанокомпозиты могут быть синтезированы в различных наноразмерных формах, что позволяет изготавливать различные новые химические и биологические сенсоры (датчики давления или деформации, электрохимические датчики, датчики глюкозы и холестерина, датчики газа и влажности, датчик органических паров и т.д.).
Использование в механическом оборудовании легких и высокопрочных материалов повышает его общую эффективность. В связи с этим желательно использование материалов на основе полимерных нанокомпозитов в энергогенерирующих машинах.
Полимерные нанокомпозиты для лопастей ветряных турбин
Лопасти являеются важной частью ветряной турбины. Его стоимость составляет более 20% производства ветрогенератора. В последние годы, с устойчивым ростом развития ветроэнергетики во всем мире, лопасти ветряных турбин большого и сверхбольшого размера (длиной более 70 метров) стали основным направлением развития ветроэнергетики.
Промышленные ветрогенераторы
Лопасти ветряных турбин подвергаются комбинированному действию нескольких внешних нагрузок в процессе эксплуатации (включая изгиб, сжатие, растяжение и т. д.), поэтому предъявляются очень высокие требования к жесткости материала, прочности, сопротивлению усталости и механическим характеристикам.
При выборе материала лопасти ветряной турбины следует также учитывать такие факторы материала, как обрабатываемость, плотность, устойчивость к окружающей среде. Материал лопастей очень важен для улучшения общей производительности ветряной турбины.
Добавление 0,5 мас. % углеродных нанотрубок в типичную эпоксидную смолу для лопаток турбин увеличивает теплопроводность материала более чем на 80 %.
Углеродные нанотрубки и полимерные нанокомпозиты обладают многими уникальными функциональными свойствами. Например, введение нанонаполнителей может улучшить механические свойства композитов, такие как модуль, прочность, ударная вязкость и сопротивление усталости.
Будущее направление полимерных нанокомпозитов в качестве интеллектуального материала для энергетического применения имеет очень хорошие перспективы развития и, как ожидается, станет одним из важных катализаторов для продвижения высокоэффективных и инновационных энергетических устройств.
Смотрите также: Электроактивные полимеры и перспективы их использования