По данным издания «Наука в Сибири», в Институте катализа имени Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (Новосибирск) ученые выполнили ряд успешных экспериментов по созданию полимеров повышенной прочности. Российские специалисты предложили разместить углеродные нанотрубки в составе полиэтилена непосредственно во время его синтеза с помощью титансодержащего катализатора полимеризации.
Как объясняют химики, модифицирование полимерных материалов (например, полиэтилена) углеродными нанотрубками позволяет увеличить прочность полимера, стойкость к деградации под воздействием солнца и низких температур. Однако для получения подобных композитов нанотрубки нужно распределить в полиэтилене равномерно, чего сложно добиться из-за их малого размера и высокой склонности к агрегации.
«На поверхности многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) был закреплен катализатор полимеризации, содержащий хлориды титана. Выбор такой системы определялся тем, что это самый простой и экономически выгодный способ ввести МУНТ в состав полиэтилена. Далее нанотрубки помещали в реактор, где происходила полимеризация этилена и формирование композитного материала», — пояснила Мария Александровна Казакова, научный сотрудник лаборатории наноструктурированных углеродных материалов Института катализа СО РАН, кандидат химических наук.
При образовании твердого полиэтилена из расплава образуются кристаллические блоки, связанные друг с другом аморфными молекулами. Чем больше таких кристаллитов, тем выше плотность полимера, и, соответственно, жесткость, прочность материала на разрыв и стойкость к воздействию химических веществ.
Исследование влияния МУНТ на процесс кристаллизации проводилось во время циклов нагрев/охлаждение с помощью рентгенофазового анализа на синхротронном излучении. Рентгенофазовый анализ позволяет установить кристаллические фазы, входящие в состав вещества, используя дифракцию рентгеновских лучей. Их получают с помощью рентгеновских трубок, или источников синхротронного излучения (СИ). Спектр СИ покрывает очень широкий диапазон энергий с крайне высокой интенсивностью. Это дает возможность использовать СИ для детального изучения структур объектов различной природы, в том числе на наноразмерном уровне.
Российским ученым удалось зафиксировать, что нанотрубки выступают в качестве центров кристаллизации молекул полиэтилена. Рост кристаллов инициируется и сначала протекает на поверхности нанотрубки, а затем кристаллиты начинают формироваться и в других частях полимера. Выяснилось, что объем полиэтилена, зарождающийся на нанотрубках, зависит от их содержания в композите и может быть значительным только для материалов с высоким содержанием МУНТ. Также нанотрубки выступают как затравка для ориентации цепи полиэтилена.
Результаты, полученные химиками из Новосибирска, впоследствии могут использоваться для создания целевых продуктов с новыми потребительскими свойствами. Исследователи надеются в ближайшее время перейти к стадии опытно-конструкторских работ.
По материалам электронного издания «Наука в Сибири»