Аналитический обзор литературы

Развитие и современное состояние наноструктурированных композиции

Впервые отчетливо концепция наноматериалов была сформулирована Г. Глейтером [7] который ввел в научный обиход и сам термин. Главный акцент был сделан на решающей роли многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах как основе для существенного изменения свойств твердых тел как путем модификации структуры и электронного строения, так и в результате новых возможностей легирования элементами независимо от химической природы и атомных размеров.

В работах [7−9] был предложен метод получения наноматериалов, заключающийся в сочетании изготовления ультрадисперсных порошков путем испарения — конденсации при высоких давлениях, что обеспечивало получение дискообразных образцов диаметром до 10−20 мм и толщиной до 0,1- 0,5 мм. Исключение контакта с окружающей средой было крайне важным для получения высокочистых объектов исследования.

Метод Глейтера был взят на вооружение во многих странах, прежде всего в США и накопление разнообразной информации о свойствах наноматериалов начало развиваться лавинообразно.

С 1992 года регулярно проводятся представительные Международные конференции (NANO), в России один раз в два года проходят Международные симпозиумы.

Нью-йоркская компания Natural-NANO разработала метод получения наноматериалов из глины и разработала возможности применения глинистого минерала галлуазита.

Одним из перспективных направлений в науке о полимерах и материалов на их основе последние годы является получение полимерных материалов, обладающих комплексом улучшенных или новых свойств.

Для достижения заданных свойств в полимерные композиты вводят различные веществаингибиторы, антиоксиданты, наполнители [10]. В случае нанокомпозитов в полимерную матрицу вводят материалы, состоящие из неорганических наночастиц (оксидов, силикатов, карбидов и т. д.).

Для создания полимерных нанокомпозитов используют также природные неорганические структуры, такие как монтмориллонит [11, 12], вермукулит [13], каолин, сапонит [14]. Неорганические катионы внутри прослоек могут защищаться другими катионами. Модифицированные глины лучше совмещаются с полимерами и образуют слоистые полимерные композиты [15].

Посредством введения глины в полимерную матрицу, удается улучшить термическую стабильность и механические свойства полимеров. Достигается это благодаря объединению комплекса свойств органического (легкость, гибкость, эластичность) и неорганических (прочность, теплостойкость, химическая устойчивость) материалов [12].

Различными группами ученых [16−19] разработаны методы получения нанокомпозитов на основе глины. Полимерный композит может быть получен тремя основными методами: в расплаве, в процессе синтеза полимера, а также золь-гель процесс. Использование глины в качестве нанодобавки в полимеры может изменять такие свойства как температура деструкции, огнестойкость, упругость, прочность на разрыв, газои влагопроницаемость.

В программе Белоруссии по наноматериалам и нанотехнологиям участвуют все ведущие исследовательские институты и университеты. Планируется промышленное производство наноматериалов на основе углерода [20].

В работе [21] рассмотрены три электрохимических метода синтеза углеродных наночастиц, возможные только в расплавах солей .

В Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе развиваются направления, которые могут быть отнесены к нанонауке — синтез металлических наночастиц на углеродной наноструктурированной матрице. В качестве носителя используют активированный уголь.

Проведены эксперименты с платиной, палладием, никелем [22].

Начиная с 80-х годов были открыты бесчисленные формы элементарного углерода — фуллерены. Кристаллы С60, легированные атомами щелочных металлов обладают металлической проводимостью и переходят в сверхпроводящее состояние в диапазоне от 19 до 55 0 К в зависимости от типа щелочного металла. Первым объектом в котором были обнаружены фуллерены явились шунгитовые породы Карелии (Россия). Наличие фуллеренов было установлено во многих углеродистых породах Флориды (США) и в Канаде.

Для углеродистого шунгита выявлен ярко выраженный диамагнитный эффект при 90−150 0 К. В работе [23] определены условия и направления глубинной модификации углеродистого вещества шунгитовых пород и получены новые наноразмерные материалы на их основе.

Известны способы получения полимер-фуллереновых материалов, которые получают следующим образом: 1) совместное осаждение компонентов; 2) смешиванием порошка фуллерена с раствором полимеров и последующей сушкой [24, 25].

В зависимости от температуры, типа растворителя, соотношения количеств полимера, фуллерены могут образовывать материалы разного типа. От режима сушки зависит пористость, размер ассоциатов, места их закрепления в полимерных цепочках в зависимости от будущего предназначения наноматериала, что указывает на перспективность их использования.

Области применения разнообразных углеродных материалов и композитов на их основе постоянно расширяются. Они используются в качестве сорбентов, электродов в технологических процессах.

Поверхностные характеристики модифицированных углеродных материалов изучаются различными методами: электронной микроскопией, рентгеноэлектронной и ИК-спектроскопией [26].

Существуют работы, которые изучают электронную проводимость полимеров [27] и основные направления использования проводящих полимеров в сенсорных и электронных устройствах.

Изучены электродные свойства композиционных материалов на основе никель-полимер [28]. При этом электрод не подвержен коррозии, не подвергается поверхностной пассивации в течение длительного времени, улучшается воспроизводимость результатов.

В работе [29] изучен композит полиацетилена с одностенными углеродными нанотрубками для электродных материалов с целью накопления энергии.

Среди всего многообразия особенно следует выделить химически модифицированные электроды [30]. Это сенсоры нового поколения, обладающие поистине уникальными свойствами. Химическая модификация поверхности твердого электрода позволяет добавить новые функциональные возможности, которые повышают реакционную и избирательную способности индикаторного электрода. В принципе понятие химически модифицированный электрод сейчас относят к любому электроду, поверхность которого обработана таким образом, что характер электрохимического отклика меняется.

Для иммонизации модификатора на электроде применяют такие приемы, как включение полимерной пленки, помещение в пасту графитовых материалов различных веществ. Эти способы модифицирования электродов наиболее приемлемы, поскольку отличаются простотой изготовления и обеспечивают достаточно прочную связь модификатора и поверхности электрода.

Расширение номенклатуры химически модифицированных электродов представляет несомненный интерес.

В работах посвященных получению полимерных нанокомпозитов, были изучены свойства новых материалов в зависимости от содержания и природы глины. При изучении свойств полученных нанокомпозитов уделяли особое внимание изучению распределения глины в композите, морфологии, термическим и механическим свойствам [10].

На территории Казахстана имеется крупное месторождение шунгита (таурита) Коксу. Специалисты оценивают его запасы в 1млрд. тонн. Шунгитовые породы представляют собой уникальный неорганический природный минерал на основе углерода и минеральных компонентов. В настоящее время предложено более 20 направлений его использования в качестве заменителей кокса и графита при производстве сплавов, при изготовлении противопригарных красок, наполнителей кислотои огнеупорных масс, в производстве катализаторов различных химических процессов.