Полимерные нанокомпозиты и тонкие кристаллические пленки

1. Полимерные нанокомпозиты и тонкие кристаллические пленки

тонкие пленки

2. принципы получения полимерных нанокомпозитов.

• Одно из интереснейших и перспективных направлений в науке
о полимерах последних лет – разработка принципов получения
полимерных нанокомпозитов. По определению,
композиционными называют материалы, состоящие из двух
или более фаз с четкой межфазной границей. На практике же
это – системы, которые содержат усиливающие элементы
(волокна, пластины) с различным отношением длины к
сечению (что и создает усиливающий эффект), погруженные в
полимерную матрицу. Удельные механические характеристики
нанокомпозитов заметно выше, чем у исходных компонентов.
Именно благодаря усиливающему эффекту нанокомпозиты
отличаются от наполненных полимерных систем, в которых
роль наполнителя ведет к удешевлению цены конечного
продукта, но при этом заметно снижаются механические
свойства материала.

3. Состав нанокомпозитов

• Ассортимент наполнителей нанокомпозитных
материалов очень широк. В него входят нанотрубки,
наноглины, наночастицы, нановолокна с нанопористой
матричной структурой, состоящие из органических и
неорганических объектов, фибриллы (многостенные
нанотрубки с закрытыми концами), нанопластины
(хлопья толщиной менее 5 нм), нанопроводники и
нанонити. В нанокомпозитных материалах используется
широкий ассортимент смол, включая: эпоксидные
смолы, полиуретан, полиэфиримид, полибензоксазин,
полистирол, поликарбонат, полиметилметакрилат,
поликапролактон, полиакрилонитрил,
полиэтиленгликоль, полибутадиен, сополимеры и
жидкокристаллические полимеры.

4. Механические свойства

• Механические свойства нанокомпозитов зависят от
структуры и свойств межфазной границы. Так,
сильное межфазное взаимодействие между
матрицей и волокном-наполнителем обеспечивает
высокую прочность материала, а значительно более
слабое – ударную прочность. Нанокомпозиты на
основе полимеров сочетают в себе качества
составляющих компонентов: гибкость, упругость,
перерабатываемость полимеров, твердость,
устойчивость к износу, высокий показатель
светопреломления. Благодаря такому сочетанию
улучшаются многие свойства материалов по
сравнению с исходными компонентами.

5.

• Используя сверхчистый диоксид углерода,
ученым удалось внедрить наночастицы в
больших концентрациях, что привело к
значительному улучшению свойств
полимерных материалов, таких как модуль
упругости и относительная деформация при
сжатии

6. Нанокомпозиты с сетчатой структурой.

• Для их получения используют золь-гель
технологию, в которой исходными
компонентами служат алкоголяты
некоторых химических элементов и
органические олигомеры. Сначала
алкоголяты кремния (титана, циркония,
алюминия или бора) подвергают
гидролизу:

7. Золь-гель технологии

Золь-гель метод получения наноматериалов.
Под золь-гель методом понимается
совокупность стадий, включающая
приготовление раствора прекурсора,
последовательный перевод его сначала в золь,
а затем в гель за счет процессов гидролиза и
конденсации, последующее старение,
высушивание и термообработка продукта.

8.

9. ЗОЛЬ-ГЕЛЬ ПРОЦЕСС

• На первой стадии формируется химический . состав продукта
(которырый получают в виде высокодисперсного коллоидного
размера - золя. Размер частиц дисперсной фазы в стабильном
золе 10-9-10-6 м. Увеличение концентрации дисперсной фазы
приводит к появлению коагуляционных. контактов между
частицами и началу структурирования - гелеобразования
(вторая стадия Коагуляционные структуры характеризуются
низкой прочностью, определяемой ван-дер-ваальсовыми
силами, при этом взаимодействия. частиц осуществляется через
равновесную по толщине прослойку дисперсионной среды. Для
таких структур усиливается дальнее взаимодействие. Сила
взаимодействия. частиц составляет 10-11-10-10 Н/контакт, а
расстояние между ними - 10-8-10-7 м.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

31.

32.

33. Тиксотропия

• Такие структуры характеризуются полным
самопроизвольным восстановлением после
механического разрушения Дальнейшее повышение
объемной концентрации и поверхностисти дисперсной
фазы приводит к постепенному исчезновению
способности к тиксотропному восстановлению, а по
мере снижения содержания дисперсионной среды
теряются также эластичные и пластичные свойстваПри
фиксации частиц в структуре, соответствующей ближней
коагуляции, прочность коагуляционных контактов
возрастает до 10-9-10-8 Н, а расстояние между частицами
снижается до 10-9 м. На этой стадии могут возникнуть и
атомные (точечные) контакты, характеризующиеся
прочностью 10-8-10-6 Н/контакт.

34. Коагуляция

Для повышения стабильности структур, регулирования
реологических свойств и управления процессами
структурообразования воздействуют на прочность
контактов путем модификации поверхноси частиц
добавками ПАВ или путем создания в реакторе
пространственной. структуры высокомолекулярного. орг.
полимера
Коагуляционные силы способны не только сохранять форму геля, что важно
при формовании изделий, но вызывать постепенное уплотнение геля,
сопровождающееся выделением дисперсной фазы из пор геля,
уменьшением его объема, повышением плотности и прочности. Этот эффект
используется при формировании структуры геля с определенными объемным
содержанием дисперсионной среды и размером пор, что важно при произ-ве
сорбентов, в т. ч. мол. сит, и катализаторов

35. третья стадия процесса

При удалении дисперсионной среды (появляются прочные
фазовые контакты, при этом тиксотропные свойстватеряются
и механические. разрушения структуры становятся
необратимыми. При высушивании гель превращается. в
твердое тонкопористое тело (ксерогель) с конденсационнокристаллизационной структурой. В процессе сушки может
происходить заметное уплотнение геля и изменение его
структуры. Разработаны способы сушки, уменьшающие этот
эффект и обеспечивающие получение материалов с высокой
открытой пористостью. Благодаря высокой дисперсности
ксерогелей (размер частиц 10-8-10-6 м) путем формования и
спекания производят прочные, плотные изделия с
определенной геом. формой из тугоплавких материалов,
напр., из оксидов, карбидов и нитридов, причем
температуры спекания на 100-300 °С ниже, чем при
использовании методов порошковой технологии

36.

37. а затем проводят реакцию поликонденсации гидроксидов

В результате образуется керамика из неорганической трехмерной сетки. Поскольку зольгель реакция, протекающая обычно в спиртовых растворах мономера и алкоголятов
неорганического предшественника М(OR)n, не требует высокой температуры, в
реакционные схемы удается включать органические соединения как в виде активных
олигомеров, так и готовых полимеров.

38. Слоистые нанокомпозиты

Их создают на основе керамики и полимеров, но с
использованием
природных
слоистых
неорганических
структур,
таких
как
монтмориллонит
или
вермикулит,
которые
встречаются,
например,
в
глинах.
Слой
монтмориллонита толщиной ~1нм в ходе реакции
ионного
обмена
насыщают
мономерным
предшественником с активной концевой группой (εкапролактамом, бутадиеном, акрилонитрилом или
эпоксидной
смолой),
а
затем
проводят
полимеризацию
Так
получают
слоистые
нанокомпозиты с высоким содержанием керамики.
Эти
материалы
характеризуются
высокими
механическими
свойствами,
термической
и
химической стабильностью. Но даже и небольшое
количество алюмосиликата значительно улучшает
механические и барьерные свойства полимера.
Основная проблема при создании слоистых
нанокомпозитов на основе глин и керамик —
обеспечение равномерного раскрытия слоистых
структур и распределения мономера по материалу

39.

40.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47.

48.

49.

50.

51.

52.

53.

54.

55.

56.

57.

58.

59.

60.

61.

62.

63.

64.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРОВ И СЛОЕВЫХ
СИЛИКАТОВ
CH3 — (СH2)17
R
(CH2)17 — CH3
L
N
CH3
K
Структура молекулы монтмориллонита
Br
CH3
Структурная формула диоктадецилдиметиламмония бромида
(ДОДАБ).
Установка Рамановского рассеяния
Межплоскостное
пространство
глины
Структурные слои глины
Структурные слои глины
12Å, Na+, nH2O
Структурные слои глины
2a
42,8 Å,
модификатор
(ДОДАБ)
Структурные слои глины
2b
Строение чистой (2a ) и модифицированной ( 2b) глины.
а) транс-конформеры
б) гош-конформеры

65.

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛИКАТНЫХ
НАНОКОМПОЗИТОВ МЕТОДОМ
РАМАНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ.
R
L
K
Структурная схема Рамановского спектрометра.
Спектр комбинационного рассеяния силикатного нанокомпозита
1800
1600
Интесивность, абс. ед.
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
-200
2600
2700
2800
-1
Rcм
2900
3000
3100
Спектр комбинационого рассеяния ДОДАБ
Неполяризационный спектр комбинационного рассеяния силикатного
нанокомпозита, кристаллический поршок, λвозбуж=4880Å, мощность
лазера 400мВт,объектив 50, метод microRaman, геометрияbackscattering

66.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ МИГ-1
1
4
5
2
3
1 – оптический блок лазеров и фотоприемников
2 – образец с веществом
3 – рассеивающий элемент – система полупрозрачных зеркал
4 – электронный блок управления и обработки информации
5 – ПЭВМ
СХЕМА ОПТИЧЕСКОГО ПУТИ
2
1
1 – образец с веществом
2 – рассеивающий элемент
Диаграмма рассеяния

67. Нанокомпозиты, содержащие металлы или полупроводники.

. Они привлекают внимание прежде всего уникальными
свойствами входящих в их состав кластеров,
образованных разным количеством атомов металла
или полупроводника - от десяти до нескольких тысяч.
Типичные размеры такого агрегата - от 1 нм до 10 нм,
что соответствует огромной удельной поверхности.
Подобные наночастицы отличаются по свойствам как от
блочного материала, так и индивидуального атома или
молекулы, причем полупроводниковые особенно
сильно, даже если размер частицы достигает сотен
нанометров. Нелинейные оптические свойства
нанокластеров позволяют создавать на их основе
управляемые квантовые светодиоды для применения в
микроэлектронике и телекоммуникации.

68. Молекулярные нанокомпозиты.

• Они построенные из гибкой полимерной матрицы и
жестких полимерных волокон. Уже в начале 80-х годов
XX века молекулярные нанокомпозиты получали,
смешивая растворы жесткого и гибкого полимеров,
которые образовывали тройную систему. Интерес к
молекулярным нанокомпозитам чрезвычайно велик. В
настоящее время ведутся работы по разным
направлениям: подбору смесей, поиску сополимеров,
созданию материалов на основе аморфных и
жидкокристаллических полимеров. Неуклонно растет
объем применения полимерных нанокомпозитных
материалов, особенно в автомобилестроении,
производстве упаковочных материалов и электронной
технике.

69. Спасибо за внимание