Лекция 25. Виды и области применения нановолокон и нанонитей
НАНОВОЛОКНО - ВОЛОКНО С ДИАМЕТРОМ МЕНЕЕ 1 МКМ
РАЗНОВИДНОСТИ НАНОВОЛОКОН
-СТЕКЛОВОЛОКНА
-УГЛЕРОДНЫЕ НАНОВОЛОКНА - нитевидные наночастицы без протяженных внутренних полостей
-ПОЛИМЕРНЫЕ ВОЛОКНА
-УГЛЕРОДНЫЕ И ПОЛИМЕРНЫЕ
НАНОВОЛОКНА, декорированные наночастицами металлов (например, платины или палладия)
- ОБЪЕМНЫЕ НАНОВОЛОКОННЫЕ НЕТКАНЫЕ МАТЕРИАЛЫ с содержанием наноструктурных материалов
МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН – ЭЛЕКТРОСПИННИНГА для получения нановолокна из самых разных материалов – полимеров, композитов, полупроводников, металлов, даже керамики
-получение нановолокна -добавление в раствор полимерного прекурсора
(полиакрилонитрила) хлорида палладия
-стабилизация нановолокна термообработкой на воздухе
(280оС, 1 час)
Захват нановолокном при его формировании катионов палладия в процессе электроспиннинга, которые превращаются в наночастицы оксида палладия диаметром менее 10 нм -Проведение термообработки в атмосфере аргона (300 и
800оС, 1 час) до появления на внешней поверхности волокон равномерно распределенных круглых наночастиц металлического палладия (100-200 нм)
Микрофотографии полученных нановолокон (а,b); нановолокон после стабилизации на воздухе (c,d) и после термообработки в атмосфере аргона (e-h).
Метод изготовления полимерных нановолокон
•МЕТОД ЭЛЕКТРОФОРМОВАНИЯ
•- перемещение полимерного расплава или раствора от кончика капиллярной трубки к коллектору с использованием электрического поля
•- подача напряжения к полимеру, создание потока расплава и направление его к общему коллектору
•- сушка тонких струй
•- формирование полимерных волокон с последующим объединением их в сеть
•ПРЕИМУЩЕСТВА МЕТОДА: при оптимальном подборе полимера и системы раствора, то можно изготовить нановолокна с диаметром в диапазоне 40-2000 нм (0.04-2 мкм). Диаметр волокон можно изменять и контролировать.
•Нановолокна с диаметром ~250 нм можно сравнить с целлюлозной волоконной структурой, обладающей диаметрами более десяти микрон. Подобная композитная структура среды фильтра успешно обрабатывается на высокоскоростном ротационном гофрировочном оборудовании с минимальным ущербом для нановолоконного слоя.
СКОРОСТНОЕ ФОРМОВАНИЕ - МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОВОЛОКОННОГО НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА
•-помещение высокотемпературного раствора полимера, из которого формируются волокна, в жидкий формовочный агент
-декомпрессия формовочного агента в условиях высокого давления при прохождении через формовочное сопло.
-создание микроволоконной сети на выходе из формовочного сопла в результате испарения растворителя испаряется (толщина сети составляет 1-4 микрона, а ширина волокон превышает толщину в 2-5 раз)
-распределение микроволокон и раскрытие их при помощи поворотной лопасти и электростатического заряда
-Укладка нетканого полотна на заземленный движущийся пояс
-Скрепление между собой полотнапод действием высокой температуры и давления.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОВОЛОКОН
-Пробирки, тарелки, чашки, для
изготовления которых требуются только ножницы
-Бумага для военного обмундирования, в
качестве огнеупорного материала до 700 градусов Цельсия, для фильтрации жидкостей, для дозирования лекарственных препаратов и разложения опасных веществ – от обычных загрязнителей среды до химического оружия
- Органический источник света шириной 200 нанометров из соединений на основе рутения
-рядовое волокно для гражданского
авиастроения
-химические сенсоры, сорбенты водорода,
НАНОНИТЬ – нановолокно длиной
до 100 мкм и диаметром от 40 до 500 нм
Переход зеленого лазерного луча из оттянутого кварцевого волокна в нанонить ZnO
РАЗНОВИДНОСТИ НАНОНИТЕЙ
-монокристаллические нанонити
-нанонити из ZnO для производства
наноразмерных светоизлучателей в ближнем УФ диапазоне
-полупроводниковые кварцевые
нанонити, для введения света в которые используются нанонити из кварца, которые могут быть легко получены оттягиванием на конус обычного кварцевого оптоволокна длиной несколько десятков миллиметров
Метод изготовления монокристаллических нанонитей ZnO
•Помещение прекурсора (высокочистый порошок ZnO) в корундовую лодочку
•Нагрев прекурсора до 1620K до испарения
•Нанесение на кремниевую подложку пленки золота толщиной 4 нм при температуре около 1370K
•Помещение в холодный конец горизонтальной трубчатой печи кремниевой подложки
•транспортировка пара прекурсора при давлении 100 мбар к подложке
•Рост нанонитей ZnO с подложки при высокой температуре по механизму "пар-жидкость- кристалл» газовым потоком аргона (50 мл/мин)
•получение нанонити длиной до 100 мкм и диаметром от 40 до 500 нм
Метод изготовления кварцевых нанонитей
•Кварцевые нанонити субмикронного диаметра с малыми световыми потерями изготовливают традиционным методом на установке для вытягивания волокон, состоящей из регулируемой водородной горелки и двух управляемых компьютером линейных платформ путем вытягивания волокон и закрепления одного конца нитей к стандартному волокну.
•Параметры для системы вытягивания волокон -скорость, ускорение, напряжение волокна и положение пламени
метод прецизионного и контролируемого выращивания кварцевых нанонитей
•получение нановолокон из кремния с прецизионно контролируемыми и заранее заданными параметрами
•оттягивание на конус обычного кварцевого оптоволокна длиной несколько десятков миллиметров
•локальное создание нанонитей нужной длины
•направленный рост нанонитей под определенным углом