2.3 Применение нанокомпозитных материалов

Общепризнано, что появление нанокомпозитных материалов с наполнителями из наноглин, позволяющими повысить модуль упругости и предел прочности при растяжении, а также деформационную теплостойкость, в дальнейшем приведет к замене применяемых в настоящее время технических термопластов нанокомпозитными модификациями полиолефинов. Нанокомпозитные модификации таких усовершенствованных технических термопластов, в свою очередь, займут место металлов и стекол применяемых сегодня во множестве областей. Хотя некоторый коммерческий успех получили конструкционные композитные материалы с наноглинами, успешное широкое применение нанокомпозитов было обусловлено улучшением их электропроводных свойств.

В росте объема применения нанокомпозитных материалов лидирует автомобильная промышленность. Электропроводные нанополимеры стали основными композитными материалами для топливных трубопроводов, в которых они заменили традиционную сталь для предотвращения накопления статических зарядов. Компания Hyperion Catalysis заявила, что более чем 60% автомобилей, изготавливаемых сегодня в США, оборудованы ее продукцией, содержащей нанотрубки. Также были созданы электропроводные полимеры для покрытия внешних кузовных деталей. Существенным стало и улучшение барьерных свойств газовых мембран, достигаемое введением относительно небольшого количества наноглин. Это исключительное улучшение свойств мембран создало большой интерес к композитам с наноглинами, применяемым при производстве упаковочных материалов для пищевых продуктов, как сосудов, так и пленок. Ожидается, что использование нанокомпозитных материалов значительно продлит срок хранения многих пищевых продуктов. Также разрабатываются нанокомпозитные материалы с полимерной основой для применения в электронной технике, например, в тонкопленочных конденсаторах интегральных схем, твердых полимерных электролитах для гальванических элементов, оптических микрокоммутаторах, интеллектуальных наноразмерных коммутаторах, а также датчиках.

В медицинской области развитие нанокомпозитных материалов позволяет создать материальный носитель для минимально инвазивных медицинских систем. В этой области необходимы системы с чрезвычайно тонкими стенками и гладкими поверхностями. Традиционные материалы являются слишком крупнозернистыми и не позволяют создавать однородные смеси, необходимые для получения такой толщины стенок. Нанокомпозитные материалы предоставляют медицинским исследователям намного более широкий ассортимент материалов, пригодных для создания медицинских систем. В производственных отраслях также прогнозируется получение существенных полезных результатов благодаря использованию нанокомпозитных материалов.

ГЛАВА ІII

3.1 Тенденции развития нанопластиков

Некоторые предприниматели называют наноразмерные технологии, способные революционизировать материаловедение, 'подрывными технологиями'. Они могут привести к изменению одни отрасли промышленности и технологии, а также заменить другие. При использовании объектов исключительно малых размеров, менее 100 нм, обнаруживаются новые свойства материалов.

Интерес к наноматериалам и присущим им уникальным свойствам растет экспоненциально. При невероятно малых размерах наноматериалов законы квантовой механики точнее описывают поведение отдельных наночастиц, замещая классическую ньютоновскую физику, в которой закономерности гравитации, оптики и ускорения представляют собой статистические соотношения. По мере уменьшения структур упорядоченных атомов до столь малых размеров, свойства материалов переходят в свойства атомов и молекул на поверхности частиц, которые часто поразительно отличаются от свойств относительно массивных частиц материалов. В сочетании с исключительно высокими отношениями площади поверхности к объему это может привести к появлению необычных характеристик. Такое огромное увеличение площади поверхности, например, чрезвычайно сильно повышает химическую активность материалов; их воспламенение, плавление или сорбция происходят значительно быстрее. Если размеры наноструктурных единиц меньше длины волны света, то некоторые материалы, изготовленные из них, становятся невидимыми, прозрачными. Материалы, относительно массивные частицы, которых являются диэлектриками, могут стать проводниками, другие материалы в наноразмерной фазе могут стать многократно прочнее, чем в относительно массивных частицах. Углеродные нанотрубки, имеющие подобную алмазу структуру кристаллической решетки, являются чрезвычайно прочными и при этом очень гибкими, отличаясь исключительным сочетанием прочности и гибкости.

Наноматериалы могут состоять из совокупности объектов различного строения, включая наночастицы, нанопроводники, нановолокна, нанотрубки, наноточки, сферические фуллерены и различные сочетания дендритных форм. Наночастицами по существу являются частицы с диаметрами от 1 до 100 нм. Нановолокна представляют собой полученные электростатическим распылением усики или нити, имеющие диаметр от 10 до 100 нм и отношение длины к диаметру (относительная длина) – более 1000. Углеродные нанотрубки, лучше всего изученные среди нанотрубок, состоят из атомов углерода, упорядоченных в шестиугольную в сечении форму, и напоминают тонкие цилиндры из проволочной сетки. Они могут быть одностенными или многостенными. Фуллерены представляют собой замкнутые каркасы из атомов углерода, как например, фуллерен C₆₀, состоящий из 60 атомов углерода, структурная формула этого соединения похожа на футбольный мяч.