Опыт производства и применения металл/углеродных нанокомпозитов

В.И. Кодолов^1,2,3, Ю.В. Ковязин³, А.И. Захаров³, О.А. Ковязина³, В.В. Тринеева^1,3,4
1 Научно-образовательный центр химической физики и мезоскопии УдНЦ УрО РАН
2 Ижевский государственный технический университет
3 ОАО «Ижевский электромеханический завод – КУПОЛ»
4 Институт прикладной механики УрО РАН
г. Ижевск

Металл/углеродные нанокомпозиты и содержащие их тонкодисперсные суспензии, произведенные по оригинальной технологии [1– 4], выпускаются в полупромышленном масштабе на ОАО «Ижевский электромеханический завод – КУПОЛ».

Под металл/углеродным нанокомпозитом понимается наноструктура, содержащая кластеры металла, стабилизированные в углеродных нанопленочных структурах. Углеродная фаза может быть в виде пленочных структур или волокон. Частицы металла ассоциированы с углеродной фазой. Наночастицы металла в композите в основном имеют формы, близкие к сферической или цилиндрической. Вследствие стабилизации и ассоциации наночастиц металла с углеродной фазой химически активные частицы металла стабильны на воздухе и при нагреве, так как образуется прочный комплекс наночастиц металла с матрицей углеродного материала. Результаты тестирования полученных нанокомпозитов приведены в таблице.

Характеристика металл/углеродных нанокомпозитов (Met/C НК)

Описанные выше нанокомпозиты исследованы с помощью ИК спектро-скопии. В данной работе обсуждаются ИК спектры Cu/C и Ni/C нанокомпо-зитов (Рис. 1), которые находят широкое применение в качестве модифика-торов материалов.

а б

Рис. 1. ИК спектры порошков медь/углеродного (а) и никель/углеродного нанокомпозитов

На приведенных ИК спектрах нанокомпозитов зафиксированы общие области поглощения ИК излучения. В дальнейшем оценка проводилась тех полос, которые проявляются на спектрах и имеют наибольшую относительную площадь. Наблюдается отличие в интенсивности и количестве полос поглощения в области 1300–1460 см ^–1, что подтверждает различную структуру композитов. В области 600–800 см^–1 отмечены полосы очень слабой интенсивности, которые могут быть отнесены к колебаниям двойных связей (точнее π-электронов), скоординированных с металлами. В случае Cu/C нанокомпозита слабое поглощение отмечено при 720 см^–1. В случае Ni/C нанокомпозита, кроме этого поглощения появляется поглощение еще при 620 см^–1.

В ИК спектре медь/углеродного нанокомпозита отмечены две полосы при 1323 см ^–1 и при 1406 см ^–1 , а в ИК спектре никель/углеродного нанокомпозита в большей степени проявляется полоса при 1406 см^–1. Эти полосы можно отнести к скелетным колебаниям полиариленовых колец. В области 2800-3050 см^-1 находятся несколько полос поглощения, которые приписывают валентным колебаниям С-Н связей. В нашем случае эти полосы поглощения связаны с наличием в пробе вазелинового масла.

Согласно проведенным исследованиям методом просвечивающей электронной микроскопии для медь/углеродного нанокомпозита характерно формирование углеродных нанопленочных структур, состоящих из углеродных нитей. В отличие от него в никель/углеродном нанокомпозите формируются углеродные волокнистые структуры, в том числе нанотрубки.

С помощью лазерного анализатора определены распределения наночастиц в водных и водно-спиртовых суспензиях. На рис. 2 приведены картины распределения медь/углеродного нанокомпозита в средах, отличающихся по полярности и диэлектрической проницаемости.

а б

Рис. 2. Распределение медь/углеродных нанокомпозитов в спирте (а) и в воде (б)

Из сравнения рисунков видно, что ультразвуковое диспергирование одного и того же нанокомпозита в разных по полярности средах приводит к изменениям в картинах распределения его наночастиц. В водной среде средний размер Cu/C нанокомпозита составляет 20 нм, а в спиртовой среде этот размер становится больше на 5 нм.

Опыт работы по модификации полимерных материалов показал целесообразность применения металл/углеродных нанокомпозитов при модификации полимерных материалов, технология которых отработана на строго контролируемом сырье при соблюдении определенных технологических режимов. Ниже приведены примеры результатов некоторых разработок [5]:

Введение металл/углеродных наноструктур (0,005 %) в виде тонкодисперсной суспензии в полиэтиленполиамине или смеси аминов в эпоксидные композициипозволяет повысить термостабильность составов на 75–100 градусов и тем самым, увеличить область применения ныне существующих изделий (Рис.3).

Рис. 3. Зависимость начала температуры деструкции от содержания введенного медьсодержащего нанокомпозита

Данная модификация способствует повышению адгезионных и когезионных характеристик клеев, лаков и связующих (Рис. 4).

Рис. 4. Зависимость адгезионной прочности эпоксидных композиций к металлу от содержания нанокомпозита

Модификация медь/углеродными и никель/углеродными наноструктурами клея горячей вулканизации осуществлена с использованием тонкодисперсных суспензий, изготовленных на основе толуола. При испытании образцов, произведенных по четырем схемам модификации, получено увеличение прочности при отрыве σ_отр до 50 % и при сдвиге τ_сдв до 80 %, концентрация введенного металл/углеродного нанокомпозита составила 0,0001–0,0003 % (рис. 5).

Рис. 5. Результаты модификации клеевых соединений при введении 0,0001% медь/углеродного нанокомпозита

При модификации поливинилхлоридной пленки (ПВХ) с помощью тонкодисперсной суспензии, содержащей железо/углеродный нанокомпозит, отмечено увеличение кристаллической фазы в материале. Модифицированная ПВХ пленка, содержащая 0,0008 % нанокомпозита, на поверхности не накапливает электростатический заряд (Рис. 6).

Рис. 6. Фотография конечного этапа получения поливинилхлоридной пленки, модифицированной Fe/C НК (0,0008%)

В настоящее время проводятся работы по модификации разработанными нанокомпозитами широкого круга полимерных веществ и материалов: компаундов, клеевых составов, связующих для стекло-, базальто- и углепластиков на основе эпоксидных смол, фенольно-каучуковых композиций, полиимидных и полиимидоамидных композиций, материалов на основе поликарбонатов, поливинилхлорида, а также материалов специального назначения, например, таких, как токопроводящие клеи и пасты, огнезащитные вспучивающиеся клеи и покрытия.

Список литературы

1. В.И. Кодолов, В.В. Кодолова, Н.В. Семакина и др. Способ получения углеродных наноструктур из органического соединения и металлсодержащих веществ. – Пат. РФ 2337062. Опубл. 2008.

2. В.И. Кодолов, Ю.М. Васильченко, Д.А. Шкляева и др. Способ получения углеродметаллсодержащих наноструктур. – Пат. РФ 2393110. Опубл. 2010.

3. В.И. Кодолов, Ю.М. Васильченко, Л.Ф. Ахметшина и др. Тонкодисперсная водная суспензия углеродных наноструктур и способ ее изготовления (варианты). – Пат. РФ 2423317. Опубл. 2011.

4. В.И. Кодолов, М.А. Чашкин, И.И. Благодатских и др. Тонкодисперсная суспензия медьсодержащих углеродполимерных наноструктур в полиэтиленполиамине. – Пол. решение по заявке 201011555 от 01.07.2011.

5. О.А. Ковязина, В.В. Тринеева, Л.Ф. Ахметшина, Ю.М. Васильченко и др. Опыт применеия металл/углеродных нанокомпозитов для модификации материалов.//Тез. докл. 7-я Межд. научно-практической конф. «Нанотехнологии-производству-2010». Фрязино, с. 53-54 

Назад к списку