1.3.1 Вуглецеві нанотрубки, структура й властивості

Вуглецеві нанотрубки характеризуються комплексом унікальних електричних, теплофізичних й механічних властивостей. Перераховані властивості залежать від способу виготовлення ВНТ. Найбільш цікава характеристика вуглецевих нанотрубок у тому, що вони можуть бути напівпровідниками чи металічними провідниками у залежності від їх структури та діаметра.

Суттєвою характеристикою матеріалів є магнітоопір, це залежність електроопору речовин при накладанні постійного магнітного поля. Вуглецеві нанотрубки при низьких температурах показують від’ємний магніторезестивний ефект.

Вуглецеві нанотрубки мають рекордні значення пружності й міцності. Міцність при розтяганні одношарових вуглецевих нанотрубок дорівнює 45 ГПа, а стальні сплави руйнуються при навантаженні в 2 ГПа. Тож, ВНТ близько у 20 разів міцніші за сталь. Багатошарові нанотрубки теж мають кращі, ніж в сталі, механічні властивості, але вони не високі в порівнянні з одношаровими.

Вуглецеві нанотрубки мають дуже високу твердість та корозійну стійкість, вони не розчинні ні у «царській горілці», ні у концентрованих лужних розчинах. Велика питома поверхня нанотрубок (500÷1500) м²/г постачає їм значну адсорбційну здатність. Вони ефективно поглинають діоксин сірки, дисульфіди, сірководень, діоксини, фтор, хлор, меркаптани, аміак тощо.

1.3.2 Нанокомпозити і нанонаповнені волокна

У останні роки одним з перспективних напрямків техніки й науки є розроблення принципів отримання нанонаповнених волокон й нанокомпозитів. Якісно нові матеріали із підсиленими регульованими властивостями одержують за допомогою комбінації полімерних матриць із нанонаповнювачами різних розмірів, хімічної природи, конфігурації.

Композиційні матеріали об’єднують характеристики компонентів, що входять до їхнього складу, чи перевершують їх. Полімерні нанокомпозити – це особливий клас композиційних матеріалів у їхній матриці розподілені різні наповнювачі, які створюють ділянки розміром менше 100 нм. Здобуття композитами нових властивостей пояснюється кількісними змінами співвідношення об’ємних та поверхневих атомів певних наночастинок, тобто високою питомою поверхнею. Дослідження нанонаповнених матеріалів підтверджують, що у зрівнянні із звичайними матеріали такі фундаментальні властивості, як коефіцієнт дифузії, модуль пружності, питома теплоємність, магнітні властивості стрімко збільшуються.

Це зумовлено не тільки зменшенням розмірів структурних елементів, але також проявою квантово-механічних ефектів, хвильовою природою процесів переносу та домінуючою роллю поверхні поділу фаз. Перевагою нанонаповнених полімерних композитів, у зрівнянні із традиційними наповненими є формування більш досконалої однорідної структури. Так, стрімке підвищення міцності полімерних матеріалів, без збільшення ваги, отримується введенням у їхній склад вуглецевих нанотрубок. Тому, якщо ВНТ розташувати між макромолекулами полімеру й з’єднати їх хімічними зв’язками між собою, то міцність матеріалу приблизиться до міцності ВНТ.

Для отримання синтетичних волокон із прогнозованими наперед заданими характеристиками широко застосовується модифікація промислових багатотоннажних волокноутворюючих полімерів за допомогою наповнення частинками різного розміру, хімічної природи, конфігурації. Введення добавок дає можливість регулювати характеристики й розміри міжфазного перехідного шару. Застосування нанонаповнювачів із високою питомою поверхнею й достатньою сумісністю між полімером та добавкою є найбільш привабливим. Вже близько 20 років випускають нанонаповнені волокна.

Як наповнювачі застосовуються одні і ті ж речовини, що й при утворенні нанокомпозитів, особливо: природні мінерали, різні форми вуглецю, метали (Ti, Si, Mn, Zn), їхні оксиди тощо. У відповідності від типу наночастинок наповнювача одержують нанонаповнені волокна із покращеними властивостями: електропровідність, антимікробні показники, висока механічна міцність, фотоактивність, чутливість до змінення температури тощо. Багато- й одношарові вуглецеві нанотрубки є досить привабливим армуючим наповнювачем, в наслідок їх унікальних механічних характеристик: вони у 6 разів легші за сталь й у 100 разів міцніші.

Додавання 5 об. % ВНТ до поліпропіленових волокон збільшує їх модуль Юнга й міцність майже у 3 рази. Насичення волокон вуглецевими наночастинками (від 5 до 20 мас. %) наділяє їх електропровідністю зрівнюваною із міддю й хімічною стійкістю до дії безлічі реагентів. Полівінілспиртове волокно, яке отримують за коагуляційною технологією прядіння та наповнюють нанотрубками, є в 120 разів витривалішим, ніж сталевий дріт, й у 17 разів легшим за волокно кевлар. В Сполучених Штатах Америки виробляють волокна Zіlon, які містять до 10 % вуглецевих нанотрубок, із фізико-механічними показниками, що значно вищі, ніж у вихідного. Корисних характеристик синтетичні волокна здобувають при насиченні їх наночастинками гідроалюмосилікату (глинозему), що мають вигляд крихітних пластівців. Вони гарантують високу тепло- й електропровідність, хімічну активність, механічну міцність, захист від вогню та УФ-опромінення. В поліамідних волокнах, які містять 5 мас. % наночастинок гідроалюмосилікату, розривне навантаження й міцність на вигин збільшуються відповідно на 40 та 60 %. Відомо, що поліпропіленові волокна досить погано фарбуються, це значно обмежує сфери їх застосування у виготовленні матеріалів побутового призначення. Додавання 15 мас. % наночастинок гідроалюмосилікату дає можливість фарбувати їх барвниками різноманітних класів із отриманням глибоких тонів. Також інтенсивно розвивається виробництво й дослідження синтетичних волокон, насичених наночастинками оксидів металів: Al2O3, ТіO2, ZnО, MgO. У результаті вони набувають таких властивостей: електропровідність, фотокаталітична активність, здатність захищатися від УФ - опромінення, брудовідштовхувальні й антимікробні характеристики, фотоокисна здатність в різних біологічних й хімічних умовах. Встановлено, що застосування наночастинок металів забезпечує волокна біологічною активністю. Так, волокна із добавками нікелю, міді й срібла проявляють біокаталітичні, сорбційні й бактерицидні характеристики і ефективно сорбують бактерії, віруси грипу, білки. Новим типом сорбентів є тонковолокнисті матеріали на їх основі, які застосовуються для очистки газових й рідких середовищ. Каталітично активними є волокна із додаванням платинових металів, а залізо-, кобальто- й нікельвмісні мають магнітні властивості.

На даний час нанонаповнені волокна широко застосовуються для одержання різноманітних споживчих ефектів в текстильних виробах. Наприклад, матеріалу для спеціального одягу надають брудо- й водовідштовхувальні характеристики, лікувальні, антимікробні, косметичні й хемозахисні властивості, знижену горючість тощо. Додавання у тканину нанорозмірного діоксиду кремнію сприяє самоочищенню й попереджає їх забруднення.

Особливе місце мають сенсорний трикотаж, тканини, волокна. Цей текстиль називається електронним, тому що він дає можливість у безперервному режимі відслідковувати головні параметри організму людини (пульс, температура, тиск).