Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Полимеры для нанотехнологии и индустрии наноматериалов

Появление в конце XX в. нового поколения методов исследования (электронная микроскопия высокого разрешения, зондовая сканирующая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия и т.д.) сделало возможным изучение малых ансамблей атомов и молекул. В результате были сформулированы представления о том, что поведение и свойства таких малых ассоциатов коренным образом отличаются от поведения и свойств как индивидуальных частиц, так и макроскопических систем, образующих фазу. Исходя из размерности указанных ассоциатов (десятые доли нанометра — сотни нанометров), эти структурные образования назвали нанострук- турами, а соответствующий раздел химии — нанохимией.

Согласно устоявшейся терминологии для обозначения наноструктурных образований используют понятия «наночастица» и «панореактор». Первое из них просто указывает на то, что данная структурная единица по размеру является нанометрическим объектом. Второе же определяет функцию наночастицы, т.е. комбинацию физических и химических свойств, специфических для паноразмерпых структур. Отметим, что нанореакторами могут служить и пустоты нанометрового размера в пористых материалах.

В последнее десятилетие сложились довольно четкие представления о строении и функционировании наноструктур в металлических и неорганических системах, углеродных материалах и т.н. В этом параграфе обсудим особенности наноструктур в полимерных телах.

Основа полимерного состояния вещества — макромолекула характеризуется ярко выраженной структурной организацией. Мономерные звенья, связанные в единую цепную конструкцию, формируют статистический сегмент, длина которого для гибкоцепных полимеров составляет единицы нанометров. Совокупность сегментов формирует собственно макромолекулу, контурная длина которой для карбоцепного полимера, построенного из одинарных углерод-углеродных связей, со степенью полимеризации 104 равна 250 нм.

Вследствие взаимного вращения химических связей основной цепи макромолекула принимает широкий набор конформаций, например конформацию макромолекулярного клубка (см. параграф 1.4). Размеры макромолекуляр- ного клубка гибкоцепного полимера, оцениваемые как среднеквадратичное расстояние между концами цепи, лежат в пределах от нескольких десятков до ста нанометров.

В твердом полимерном теле происходит формирование надмолекулярных структур: кластеров в случае аморфных полимеров и кристаллитов для кристаллизующихся полимеров. Согласно экспериментальным оценкам размер кластеров в аморфных полимерах (см. подпараграф 4.2.1, рис. 4.2) составляет величину порядка десятка нанометров. Тот же порядок величины (10—20 нм) характерен для толщин ламелярных кристаллитов в кристаллических полимерах (см. подпараграф 4.3.1, рис. 4.26).

Таким образом, структура полимерного тела представляет собой сложную иерархию структурных уровней нанометрического масштаба. В связи с этим в настоящее время полимеры трактуют как естественные нанострук- турированные системы или как естественные нанообъекты.

Применение полимеров для нужд современной нанотехнологии развивается по нескольким направлениям. Так, полимеры могут быть использованы как инертные матрицы для стабилизации неорганических, керамических и металлических нанодисперсий с целью предотвращения агрегации наночастиц и сохранения уникальных свойств, присущих наносостоянию указанных химических соединений.

За последние два десятилетия проводилось много исследований, результаты которых свидетельствуют о том, что наночастицы могут служить эффективными модификаторами комплекса свойств полимеров. При этом для достижения требуемого эффекта необходимы чрезвычайно малые количества наномодификатора. Так, например, модификация полиметилметакрилата углеродными нанотрубками (0,04 масс. %) приводит к увеличению ударной прочности полимера в 1,8 раза. Аналогичные результаты наблюдаются при модификации полимеров наночастицами аэросила, талька, Si02, каолина и т.п.

Процесс введения в полимер наномодификаторов на стадии синтеза или переработки значительно осложнен слипанием и агрегацией наночастиц, что в заметной мере снижает эффективность модификатора. Один из вариантов решения этой проблемы связан с поверхностной модификацией нано- дисперспых неорганических систем за счет прививки на поверхность частиц полимерного нанослоя, что позволяет улучшить стабильность нанодисперсий, а также совместимость наномодификатора с полимерной матрицей. В другом варианте синтез наночастиц проводят непосредственно в полимерной матрице, например формирование наночастиц Si О., в полипропилене путем гидролиза предварительно введенного в полимер тетраалкоксисилана. Развитие этого направления ведет к созданию полимер-неорганических гибридных наиокомпозитов.

Формирование в полимере нанореакторных зон возможно и путем физической модификации материала. Здесь одним из наиболее эффективных методов является вытяжка волокон или пленок в соответствующих жидких средах — крейзипг. В результате наряду с ориентацией полимера в нем возникает система дискретных или взаимопроникающих пор размерами от 1 до 15 нм. Общая пористость материала достигает 60%, а удельная поверхность пор — 100 м2/г. Такие пористые полимерные материалы используют как высокоэффективные сорбенты, наноиористые фильтры, мембраны и субстраты, дышащие и водонепроницаемые пленки и т.д.

Крейзинг позволяет вводить в поры полимерного материала низкомолекулярные целевые добавки (красители, антипирены, репелленты, биологически и физиологически активные вещества и пр.), а также их комбинации. Очевидно, что вследствие физического размера нор указанные ингредиенты диспергированы в конечном материале до наноразмеров.

Введение в пористую структуру различного рода прекурсоров (например, соли и оксиды металлов) определяет возможность проведения химических реакций непосредственно в наноразмерных зонах пористого материала для создания в конечном итоге металл-иолимерных нанокомпозитов. Если ввести в поры данного полимера какой-либо мономер, то его последующая полимеризация приводит к формированию полимер-полимерных композиций с дисперсией компонентов на нанометрическом уровне.

Таким образом, полимеры представляют собой естественные нанострук- турированные объекты, в которых тип, характер и размеры наноструктур можно варьировать в широких пределах, как на стадии синтеза, так и на стадии переработки полимера, а также путем физической и физико-химической модификации конечного материала.

В настоящее время полимеры являются неотъемлемым компонентом широкого круга перспективных нанокомнозитов и гибридных наноматсри- алов. Дальнейшие разработки научно-технологических принципов нанохимии и нанотехнологии открывают неограниченные возможности расширения областей практического применения полимерных систем.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>