2.3 Модификация полимеров наночастицами

Модификация термопластичных полимерных матриц жесткими наночастицами силикатов и углеродными нанотрубками в полимерных композиционных материалах является одним из эффективных способов направленного регулирования упруго-прочностных свойств и достижения в материале жесткости и прочности, аналогичных ПКМ на основе термореактивных матриц.

Начиная с конца 20 века интенсивные исследования вещества и процессов в нанометровом и наносекундном диапазонах привели к переходу исследований на микроуровне к наноуровню, что открыло новые возможности в области фундаментальных наук и новейших технологий. Возникло множество научных направлений, связанных с изучением наноструктур и нанопроцессов, объединенных термином «нанотехнология» [1-5].

Нанотехнология – область знания, занимающаяся процессами и явлениями, проходящими в мире, измеряемом нанометрами (нано, греч. nano – карлик, 1нм м), совокупность методов и способов, направленных на создание материалов и систем со свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнологии базируются на понимании того, что частицы размером менее 100 нм придают сделанным из них материалам новые свойства и поведение, нанообъекты демонстрируют новое физическое и химическое поведение, зависящее от размера частиц (размерные эффекты). Изменяются электронные структуры, проводимость, реакционная способность, , механические свойства.

Размерные эффекты позволяют конструировать материалы с новыми свойствами (из тех же исходных атомов): более прочные и легкие конструкционные материалы. Изделия наноэлектроники, нанооптоэлектроники, использовать наноструктуры в качестве катализаторов.

100-нанометровая граница раздела между микро- и нано- системами достаточно условна, являясь характеристическим размером, отмечающим начало проявления свойств, не присущих системам с микро- и макроразмерами.

Классификация наноматериалов и общая характеристика полимерных нанокомпозитов

Наноматериалы можно разделить на четыре основные категории (рисунок 2.4). Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна., очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.п... Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий.

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне от 1 мкм до 1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалы с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются. поликристаллическими материалами с размером зерна 1-100 нм. В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса.

В первый класс входят однофазные материалы (в соответствие с терминологией [1] микроструктурно однородные материалы), структура и/или химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Их структура, как правило, находится в состоянии далеком от равновесия. К таким материалам относятся, например, стекла, гели, пересыщенные твердые растворы. Ко второму классу можно отнести микроструктурно неоднородные материалы, которые состоят из наноразмерных элементов (кристаллитов, блоков) с различной структурой и/или составом. Это многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов.

Рисунок 2.8 — Классификация наноматериалов [2].

Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие определения нанокристаллических или нанофазных материалов [1,2,4].

К четвертой категории относятся композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов. При этом в качестве компонентов могут выступать наноматериалы, отнесенные к первой категории (композиты с наночастицами и/или нановолокнами, изделия с измененным ионной имплантацией поверхностным слоем или тонкой пленкой) и второй категории (например, композиты упрочненные волокнами и/или частицами с наноструктурой, материалы с модифицированным наноструктурным поверхностным слоем или покрытием). Можно выделить также композиционные материалы со сложным использованием нанокомпонентов.

Свойства наноструктур, наночастиц определяются законами квантовой механики, а не классической ньютоновской физики, свойствами атомов и молекул на поверхности наночастиц с высоким отношением площади поверхности к объему. При размерах наноструктурных единиц меньше длин волн видимого света некоторые материалы становятся прозрачными, диэлектрики- проводниками, резко повышаются упруго-прочностные, химические, сорбционные свойства.

В наноразмерных объектах и системах атомы ведут себя иначе, чем в микро- и макрообъектах и системах, а явления и свойства определяются закономерностями квантовой механики, обуславливающих:

1) доминирование явлений самоупорядочения, самоорганизации;

2) высокую «полевую» (электрическую, магнитную) активность, каталитическую (химическую) избирательность поверхностей, формирующих специфические границы раздела;

3)особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда, концентрационных изменений с низким энергопортреблением и высокой скоростью.

Причинами этого являются изменение отношения вклада в различные процессы поверхности частиц по отношению к их объему, энергетическая, полевая неравновесность поверхности, охватывающая значительные объемы наночастиц, усиление роли различных видов размерных эффектов.