Karbon nanotube yang dimodifikasi secara fungsional sebagai bahan sensitif untuk bahan kimia dan biosensor. Diperoleh dengan serat pembentuk gel dari polietilen dengan berat molekul sangat tinggi yang dimodifikasi dengan nanotube karbon

Bahan karbon bubuk (grafit, karbon, karbon hitam, CNT, graphenes) banyak digunakan sebagai pengisi fungsional untuk berbagai bahan, dan sifat listrik komposit dengan pengisi karbon ditentukan oleh struktur dan sifat karbon, serta oleh teknologi. produksi mereka. CNT adalah material serbuk yang terbuat dari struktur rangka karbon berbentuk alotropik dalam bentuk CNT berdinding banyak berongga dengan diameter luar 10–100 nm (Gbr. 1). Seperti diketahui, resistivitas listrik (ρ, Ohm∙m) CNT bergantung pada metode sintesis dan pemurniannya dan dapat berkisar dari 5∙10-8 hingga 0,008 Ohm∙m, yang kurang dari
di grafit.
Dalam pembuatan komposit konduktif, bahan yang sangat konduktif (serbuk logam, karbon hitam, grafit, karbon dan serat logam) ditambahkan ke dielektrik. Hal ini memungkinkan untuk memvariasikan konduktivitas listrik dan karakteristik dielektrik komposit polimer.
Penelitian ini dilakukan untuk menentukan kemungkinan perubahan resistivitas listrik CNT dengan memodifikasinya. Ini akan memperluas penggunaan tabung seperti itu sebagai pengisi untuk komposit polimer dengan konduktivitas listrik yang direncanakan. Sampel bubuk CNT yang diproduksi oleh ALIT-ISM (Zhytomyr, Kyiv) dan bubuk CNT yang mengalami modifikasi kimia digunakan dalam pekerjaan. Untuk membandingkan karakteristik listrik bahan karbon, sampel CNT "Taunit" (Tambov), disintesis menurut TU 2166-001-02069289-2007, CNT LLC "TMSpetsmash" (Kyiv), diproduksi menurut TU U 24.1-03291669-009 :2009, grafit wadah. CNT yang diproduksi oleh "ALIT-ISM" dan "Taunit" disintesis dengan metode CVD pada katalis NiO/MgO, dan CNT dari TMSpetsmash LLC disintesis pada katalis FeO/NiO (Gbr. 2). Dalam penelitian, di bawah kondisi yang sama, menggunakan metode yang dikembangkan sama, karakteristik elektrofisika sampel bahan karbon ditentukan. Resistivitas listrik sampel dihitung dengan menentukan karakteristik tegangan arus sampel bubuk kering yang ditekan pada tekanan 50 kG (Tabel 1).
Modifikasi CNT (No. 1-4) menunjukkan kemungkinan mengubah karakteristik elektrofisika CNT dengan bantuan pengaruh fisikokimia (lihat Tabel 1). Secara khusus, resistivitas listrik sampel asli berkurang 1,5 kali (No. 1); dan untuk sampel No. 2-4 - meningkat 1,5-3 kali.
Pada saat yang sama, jumlah total pengotor (bagian dalam bentuk residu yang tidak mudah terbakar) menurun dari
2.21 (CNT asli) hingga 1,8% untuk
sampel No. 1 dan hingga 0,5% - untuk No. 3. Kerentanan magnetik spesifik sampel No. 2–4 menurun dari 127∙10-8 menjadi 3,9∙10-8 m3/kg. Luas permukaan spesifik semua sampel meningkat hampir 40%. Di antara CNT yang dimodifikasi, resistivitas listrik minimum (574∙10-6 Ohm∙m) tercatat untuk sampel No. 1, yang mendekati resistansi crucible grafit (33∙10-6 Ohm∙m). Dalam hal resistensi spesifik, sampel CNT "Taunit" dan LLC "TMSpetsmash" sebanding dengan sampel No. 2, 3, dan kerentanan magnetik spesifik sampel ini adalah urutan besarnya lebih tinggi daripada sampel CNT yang dimodifikasi (ALIT -ALIRAN).
Kemampuan untuk memvariasikan resistivitas listrik CNT dari 6∙10-4 hingga
12∙10-4 Ohm. Spesifikasi telah dikembangkan untuk penggunaan CNT yang dimodifikasi dalam pembuatan bahan komposit dan polikristalin, pelapis, pengisi, suspensi, pasta, dan bahan serupa lainnya.
TU U 24.1-05417377-231:2011 "Serbuk nano dari kelas CNT multi-dinding MWCNT-A (MWCNT-A),
MUNT-V (MWCNT-B), MUNT-S (MWCNT-C)"
(Meja 2).
Ketika komposit dimasukkan ke dalam basis polietilen sebagai pengisi bubuk CNT yang dimodifikasi, dengan peningkatan konduktivitas listriknya, konduktivitas listrik komposit polimer meningkat. Jadi, sebagai hasil dari modifikasi CNT yang diarahkan, kemungkinan untuk memvariasikan karakteristiknya, khususnya, resistivitas listrik, terbuka.
literatur
1. Tkachev A.G., Zolotukhin I.V. Aparatur dan metode untuk sintesis struktur nano solid-state. - M.: Mashinostroenie-1, 2007.
2. Bogatyreva G.P., Marinich M.A., Bazaliy G.A., Ilnitskaya G.D., Kozina G.K., Frolova L.A. Studi pengaruh perlakuan kimia pada sifat fisikokimia nanotube karbon. Duduk. ilmiah tr. "Fullerene dan struktur nano dalam media kental". / Ed.
P.A. Vityaz. - Minsk: Lembaga Ilmiah Negara "Lembaga Perpindahan Panas dan Massa
mengubah mereka. A.V. Lykov" Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Belarus, 2011, hlm. 141–146.
3. Novak D.S., Berezenko N.M., Shostak T.S., Pakharenko V.O., Bogatyreva G.P., Oleinik N.A., Bazaliy G.A. Nanokomposit konduktif listrik berdasarkan polietilen. Duduk. ilmiah tr. "Alat pemotong batu dan pengerjaan logam - teknik dan teknologi pembuatan dan penerapannya". - Kiev: ISM
mereka. V.N. Bakulya NAS dari Ukraina, 2011, edisi 14, hlm. 394–398.

Bahan karbon bubuk (grafit, batu bara, jelaga, CNT, graphene) banyak digunakan sebagai pengisi fungsional dari bahan yang berbeda, dan sifat listrik komposit dengan pengisi karbon ditentukan oleh struktur dan sifat karbon dan oleh teknologi produksi. CNT adalah material serbuk struktur rangka karbon berbentuk alotropik dalam bentuk CNT berdinding banyak berongga dengan diameter luar 10 hingga 100 nm (Gbr.1a,b). Diketahui bahwa resistivitas listrik (ρ, Ohm∙m) CNT bergantung pada metode sintesis dan pemurniannya dan dapat berkisar dari 5∙10-8 hingga 0,008 Ohm∙m, yang urutannya lebih rendah daripada grafit .
Gambar 1. a) – bubuk CNT, b) – pecahan CNT (Power Electronic Microscopy)
Pada pembuatan komposit konduktif bahan konduktif tinggi (serbuk logam, karbon teknis, grafit, karbon dan serat logam) ditambahkan ke dielektrik. Hal ini memungkinkan untuk memvariasikan konduktivitas dan sifat dielektrik komposit polimer.
Penyelidikan ini dilakukan untuk menentukan kemungkinan mengubah hambatan listrik spesifik CNT melalui modifikasi mereka. Ini akan memperluas penggunaan tabung seperti itu sebagai pengisi komposit polimer dengan konduktivitas listrik yang direncanakan. Penyelidikan menggunakan sampel bubuk awal CNT yang dibuat oleh ALIT-ISM (Zhytomyr, Kiev) dan bubuk CNT yang mengalami berbagai modifikasi kimia. Untuk membandingkan karakteristik elektrofisika bahan karbon sampel CNT "Taunit" (Tambov, Rusia) yang disintesis berdasarkan 2166-001-02069289-2007, LLC "TMSpetsmash" (Kiev), dibuat berdasarkan 24,1-03291669-009:2009, grafit wadah, CNT dibuat oleh ALIT-ISM dan "Taunit" disintesis dengan metode CVD pada katalis NiO/MgO dan CNT yang dibuat oleh LLC "TMSpetsmash" – pada katalis FeO/NiO digunakan (Gbr. 2).
Gbr.2 a - CNT (ALIT-ISM), b - CNT "TMSpetsmash" (PEM-gambar).
Investigasi di bawah kondisi yang sama menggunakan dengan metode yang sama dikembangkan di ISM menentukan karakteristik fisik listrik dari sampel bahan karbon ditentukan. Hambatan listrik spesifik sampel dihitung dengan menentukan karakteristik tegangan arus dari elemen serbuk kering yang ditekan di bawah tekanan 50 kg. (Tabel 1).
Modifikasi CNT (No.1-4) telah menunjukkan kemungkinan untuk mengubah sifat listriknya secara besar-besaran dengan bantuan efek fisik dan kimia. Secara khusus, resistivitas listrik spesifik dari sampel awal berkurang 1,5 kali (No.1) dan untuk No. 2 – 4 meningkat 1,5-3 kali.
Dalam hal ini jumlah total pengotor (serpihannya dalam bentuk residu yang tidak mudah terbakar) diturunkan dari 2,21% (CNT awal) menjadi 1,8% untuk No.1 dan menjadi 0,5% untuk No.3. Suseptibilitas magnetik sampel No.2 – 4 diturunkan berdasarkan urutan. Luas permukaan spesifik semua sampel meningkat hampir 40%. Di antara CNT yang dimodifikasi, resistansi listrik spesifik minimum (574∙10-6 Ohm∙m) ditetapkan untuk sampel No.1 yang dekat dengan resistansi seperti grafit wadah (337∙10-6 Ohm∙m). Dengan resistensi spesifik sampel CNT "Taunit" dan "TMSpetsmash" dapat dibandingkan dengan sampel No.2 dan No.3, dan kerentanan magnetik sampel ini adalah lebih tinggi daripada sampel CNT yang dimodifikasi ("Alit -ALIRAN").
Dengan demikian, kemungkinan memodifikasi CNT untuk memvariasikan nilai resistivitas listrik spesifik CNT dalam kisaran 6∙10-4÷12∙10-4Ohm∙m dinyatakan. Ada spesifikasi yang dikembangkan 24.1-05417377-231:2011 "Serbuk nano dari CNT berdinding banyak dengan grade MWCNTs-A, MWCNTs-B, MWCNTs-C (Tabel 2) untuk CNT yang dimodifikasi untuk produksi material komposit dan polikristalin, pelapis, pengisi, suspensi , pasta dan bahan sejenis lainnya.
Pada pengenalan ke dasar polietilen komposit sebagai pengisi bubuk dimodifikasi CNT dari nilai baru dengan peningkatan konduktivitas listrik dari CNT konduktivitas listrik dari komposit polimer meningkat. Jadi, sebagai hasil dari modifikasi CNT yang terarah, ada peluang baru untuk memvariasikan karakteristiknya, khususnya, nilai resistivitas listrik.
literatur

Seperti diketahui, karbon nanotube (CNT), karena sifat fisikokimianya yang tidak biasa, sangat menjanjikan untuk berbagai aplikasi. Bahan baru ini terbukti efektif sebagai sumber emisi elektron dingin, sebagai dasar untuk bahan baru dengan karakteristik mekanik yang lebih baik, sebagai sorben untuk zat gas dan cair, dll. Namun, hingga saat ini, material dan perangkat baru berbasis CNT belum banyak digunakan, yang terkait dengan biaya tinggi dan produktivitas rendah dari metode yang ada untuk memperoleh CNT dalam jumlah makroskopik. Metode ini, berdasarkan prosedur permukaan untuk penguapan termal grafit atau pengendapan uap senyawa yang mengandung karbon pada permukaan katalis logam, dicirikan oleh produktivitas terbatas, yang sebanding dengan luas permukaan aktif. Peningkatan yang signifikan dalam produktivitas sintesis CNT dapat dicapai karena transisi ke sintesis massal. Dalam hal ini, produktivitas proses sintesis tidak sebanding dengan permukaan, tetapi dengan volume ruang reaksi dan dapat secara signifikan melebihi karakteristik nilai metode tradisional sintesis CNT. Transisi semacam itu baru-baru ini dilakukan oleh sekelompok karyawan dari salah satu universitas Kanada (Université de Sherbrooke), yang menggunakan plasma termal dari obor plasma frekuensi tinggi untuk memperoleh jumlah makroskopik CNT dari karbon yang terdispersi halus.

Pengaturannya adalah obor plasma tipe induksi yang tersedia secara komersial yang disuplai oleh sumber arus bolak-balik 60 kW yang beroperasi pada frekuensi 3 MHz. Obor plasma meliputi: ruang plasma dengan diameter dalam 5 cm, reaktor dengan panjang 50 cm dan diameter dalam 15 cm, ruang pendingin cepat yang terdiri dari dua segmen silinder berdinding ganda dengan panjang 20 dan 30 cm dan diameter dalam 15 cm. Tiga aliran gas independen dimasukkan ke wilayah obor plasma - bubuk aksial, periferal, dan pembawa. Aliran pertama diberikan gerakan rotasi, yang memastikan stabilisasi obor plasma, dan yang kedua, laminar, berfungsi untuk melindungi dinding reaktor dari gas panas. Sistem filtrasi yang berfungsi untuk memisahkan material yang mengandung CNT dari komponen volatil ini memiliki tiga elemen filter dengan diameter 6 cm dan panjang 85 cm berbahan dasar keramik berpori dengan diameter pori 2,8 m. Katalis yang digunakan adalah partikel Ni dengan ukuran< 1 мкм, Co размером < 2 мкм, CeO 2 и Y 2 O 3 , подмешиваемые в различных пропорциях при суммарной концентрации на уровне порядка 1 ат % к мелкодисперсному графиту. В качестве буферного газа использовали смесь He-Ar различного состава при полном давлении около 500 Торр. Порошок подавали в плазму со скоростями 1,2 - 2 г/мин. Каждый эксперимент продолжался 20 мин., хотя система допускала непрерывную эксплуатацию в течение 9 часов. В экспериментах использовали 3 типа углеродного порошка различной степени измельченности с размером частиц 75, 45 и 16 нм. Исследования, выполненные методами термогравиметрии и спектроскопии комбинационного рассеяния, показали, что в оптимальных условиях производительность синтеза порошка, содержащего до 40% однослойных УНТ, достигает 100 г/час. При этом оптимальные условия соответствуют чистому гелию, частицам углерода размером 75 нм и скорости их подачи 1,5-2 г/мин. Приведенные показатели заметно превышают результаты, достигнутые при использовании электродугового и лазерного методов синтеза УНТ, при этом нанотрубки по своему качеству лишь немного уступают синтезируемым лазерным методом. Следует отметить, что мелкодисперсный углерод значительно дешевле кристаллического графита, поэтому нанотрубки, полученные в плазме из порошка гораздо дешевле.

A.V. Yeletsky

1. K.S. Kim dkk. J Phys. H: 40, 2375 (2007).

Seperti diketahui, karbon nanotube (CNT), karena sifat fisikokimianya yang tidak biasa, sangat menjanjikan untuk berbagai aplikasi. Bahan baru ini terbukti efektif sebagai sumber emisi elektron dingin, sebagai dasar untuk bahan baru dengan karakteristik mekanik yang lebih baik, sebagai sorben untuk zat gas dan cair, dll.

Namun, hingga saat ini, material dan perangkat baru berbasis CNT belum banyak digunakan, yang terkait dengan biaya tinggi dan produktivitas rendah dari metode yang ada untuk memperoleh CNT dalam jumlah makroskopik. Metode ini, berdasarkan prosedur permukaan untuk penguapan termal grafit atau pengendapan uap senyawa yang mengandung karbon pada permukaan katalis logam, dicirikan oleh produktivitas terbatas, yang sebanding dengan luas permukaan aktif.

Peningkatan yang signifikan dalam produktivitas sintesis CNT dapat dicapai karena transisi ke sintesis massal. Dalam hal ini, produktivitas proses sintesis tidak sebanding dengan permukaan, tetapi dengan volume ruang reaksi dan dapat secara signifikan melebihi karakteristik nilai metode tradisional sintesis CNT. Transisi semacam itu baru-baru ini dilakukan oleh sekelompok karyawan dari salah satu universitas Kanada (Université de Sherbrooke), yang menggunakan plasma termal dari obor plasma frekuensi tinggi untuk memperoleh jumlah makroskopik CNT dari karbon yang terdispersi halus.

Skema instalasi untuk produksi CNT dari karbon yang terdispersi halus dalam plasma

Pengaturannya adalah obor plasma tipe induksi yang tersedia secara komersial yang disuplai oleh sumber arus bolak-balik 60 kW yang beroperasi pada frekuensi 3 MHz. Obor plasma meliputi: ruang plasma dengan diameter dalam 5 cm, reaktor dengan panjang 50 cm dan diameter dalam 15 cm, ruang pendingin cepat yang terdiri dari dua segmen silinder berdinding ganda dengan panjang 20 dan 30 cm dan diameter dalam 15 cm.

Tiga aliran gas independen dimasukkan ke area obor plasma - bubuk aksial, periferal, dan pembawa. Aliran pertama diberikan gerakan rotasi, yang memastikan stabilisasi obor plasma, dan yang kedua, laminar, berfungsi untuk melindungi dinding reaktor dari gas panas. Sistem filtrasi yang berfungsi untuk memisahkan material yang mengandung CNT dari komponen volatil ini memiliki tiga elemen filter dengan diameter 6 cm dan panjang 85 cm berbahan dasar keramik berpori dengan diameter pori 2,8 m.

Katalis yang digunakan adalah partikel Ni dengan ukuran< 1 мкм, Co размером < 2 мкм, CeO 2 и Y 2 O 3 , подмешиваемые в различных пропорциях при суммарной концентрации на уровне порядка 1 ат % к мелкодисперсному графиту. В качестве буферного газа использовали смесь He-Ar различного состава при полном давлении около 500 Торр. Порошок подавали в плазму со скоростями 1,2 – 2 г/мин. Каждый эксперимент продолжался 20 мин., хотя система допускала непрерывную эксплуатацию в течение 9 часов. В экспериментах использовали 3 типа углеродного порошка различной степени измельченности с размером частиц 75, 45 и 16 нм.

Studi yang dilakukan oleh termogravimetri dan spektroskopi Raman telah menunjukkan bahwa, dalam kondisi optimal, produktivitas sintesis bubuk yang mengandung hingga 40% CNT berdinding tunggal mencapai 100 g/jam. Dalam hal ini, kondisi optimal sesuai dengan helium murni, partikel karbon berukuran 75 nm, dan laju umpannya 1,5–2 g/menit. Indikator yang diberikan secara nyata melebihi hasil yang dicapai dengan menggunakan busur listrik dan metode laser sintesis CNT, sementara nanotube hanya sedikit lebih rendah kualitasnya dibandingkan dengan yang disintesis dengan metode laser. Perlu dicatat bahwa karbon terdispersi halus jauh lebih murah daripada grafit kristal, oleh karena itu, nanotube yang diperoleh dalam plasma dari bubuk jauh lebih murah.

Pilih peringkat Buruk Di bawah rata-rata Oke Bagus Luar Biasa


anotasi

serat polimer polietilen reaktor

Kami mengembangkan metode untuk serat komposit pemintalan gel berdasarkan polietilen dengan berat molekul ultra-tinggi (UHMWPE) yang dimodifikasi dengan karbon nanotube (CNT). Serbuk reaktor UHMWPE digunakan sebagai matriks. Tabung nano karbon berdinding banyak dipilih sebagai fase pengerasan. Sampel serat diperoleh dengan gel-spinning dari larutan UHMWPE dengan peregangan orientasi lebih lanjut.

Sebagai bagian dari tesis, studi serbuk reaktor UHMWPE awal dari berbagai kelas dilakukan dengan metode mikroskop elektron, analisis fase sinar-X dan metode kalorimetri pemindaian diferensial. Pada sampel gel yang diperoleh berdasarkan UHMWPE, dipelajari pengaruh pelarut terhadap sifat termal polimer. Sampel serat yang diperoleh digunakan untuk mempelajari sifat fisik dan mekanik material. Analisis komparatif pengaruh pengenalan CNT pada perubahan struktur dan sifat serat berdasarkan UHMWPE telah dilakukan.

Karya final kualifikasi disajikan dalam 106 halaman, berisi 18 tabel, 47 gambar dan daftar sumber yang digunakan dari 49 judul.

  • pengantar
      • 1.2.1 Struktur UHMWPE
      • 1.2.2 Sifat UHMWPE
      • 1.2.3 Mendapatkan UHMWPE
    • 1.3 Gel state UHMWPE
    • 1.4 Perubahan karakteristik kekuatan benang gel UHMWPE selama gambar orientasi
    • 1.6 Metode untuk mempelajari sampel berdasarkan UHMWPE dan CNT
      • 1.6.1 Metode penelitian sinar-X
      • 1.6.2 Kalorimetri Pemindaian Diferensial (DSC)
      • 1.6.3 Pemindaian mikroskop elektron
      • 1.6.4 Spektroskopi inframerah
      • 1.6.5 Viskometri rotasi
      • 1.6.6 Metode untuk menentukan sifat kekuatan spesifik serat
  • 2. Objek dan Metode Penelitian
    • 2.1 Bahan baku
    • 2.2 Memperoleh serat komposit berdasarkan UHMWPE dengan pemintalan gel
      • 2.2.1 Persiapan gel berdasarkan UHMWPE dan CNT
      • 2.2.2 Memutar filamen gel berbasis UHMWPE dan CNT
      • 2.2.3 Proses pembuatan serat komposit berbasis UHMWPE dan CNT
    • 2.3 Metode untuk mempelajari materi yang diperoleh
      • 2.3.1 Kalorimetri pemindaian diferensial
      • 2.3.2 Pemindaian mikroskop elektron
      • 2.3.3 Spektroskopi inframerah
      • 2.3.4 Analisis fase sinar-X
      • 2.3.5 Metode untuk mempelajari karakteristik kekuatan
  • 3. Hasil dan Pembahasan
    • 3.1 Studi Bubuk Reaktor UHMWPE
    • 3.2 Analisis sifat termal gel, xerogel dan serat berdasarkan UHMWPE
    • 3.3 Pengaruh orientasi struktur pada sifat dan struktur filamen gel berbasis UHMWPE
    • 3.4 Analisis karakteristik kekuatan serat komposit berdasarkan UHMWPE
  • 4. Keselamatan hidup
    • 4.1 Analisis faktor produksi yang berpotensi berbahaya dan berbahaya yang terkait dengan penerapan bagian eksperimental tesis
    • 4.2 Karakteristik fisik dan kimia singkat, toksisitas, bahaya kebakaran dan ledakan dari bahan dan zat yang digunakan dan dibentuk dalam penelitian
    • 4.3 Karakteristik sanitasi-higienis dan pencegahan kebakaran dari ruang laboratorium
      • 4.3.1 Persyaratan untuk tata letak tempat
      • 4.3.2 Persyaratan untuk iklim dalam ruangan
      • 4.3.3 Persyaratan pencahayaan untuk ruangan
    • 4.4 Pengembangan langkah-langkah untuk melindungi dari faktor-faktor berbahaya dan berbahaya
      • 4.4.1 Perhitungan parameter pentanahan loop jarak jauh
    • 4.5 Keselamatan jiwa dalam keadaan darurat
    • 4.6 Perlindungan lingkungan
    • 4.7 Kesimpulan pada bagian "Keselamatan jiwa" dan "Perlindungan lingkungan"
  • 5. Ekonomi dan organisasi pekerjaan penelitian
    • 5.1 Studi kelayakan untuk R&D
    • 5.2 Rencana penelitian dan pengembangan
    • 5.3 Perhitungan biaya R&D
      • 5.3.1 Perhitungan biaya bahan baku
      • 5.3.2 Perhitungan biaya bahan pembantu
      • 5.3.3 Perhitungan biaya penggajian
      • 5.3.4 Perhitungan overhead
      • 5.3.5 Perhitungan biaya listrik
      • 5.3.6 Perhitungan depresiasi
    • 5.4 Biaya R&D
    • 5.5 Pengaruh teknis dan ekonomi dari R&D
    • 5.6 Kesimpulan pada bagian ekonomi
  • Kesimpulan
  • Bibliografi

pengantar

Selama beberapa dekade terakhir, banyak ilmuwan material di seluruh dunia telah berjuang untuk mendapatkan serat sintetis tugas berat. Salah satu kriteria penting yang memberikan keuntungan adalah penggunaan bahan umum yang murah. Oleh karena itu, polietilen bertekanan rendah, yang memiliki berat molekul besar, menarik minat yang besar. Bahan ini diproduksi dalam volume besar dan merupakan polimer yang dipelajari dengan baik. Benang darinya lebih baik dibandingkan dengan serat polimer lainnya karena memiliki kombinasi sifat yang unik seperti kekuatan tinggi, kekakuan, kurangnya penyerapan air, kepadatan rendah, ketahanan kimia yang tinggi, dan kekuatan benturan.

Saat ini, metode yang paling umum untuk memperoleh serat polimer tersebut adalah metode pemintalan gel dengan penarikan serat lebih lanjut. Metode ini dikembangkan kembali pada tahun 70-an oleh peneliti Belanda Penning, Lemstroy dan Smith. Dengan menggunakan metode ini di Belanda, Amerika Serikat dan Jepang telah memproduksi serat dari polietilen dengan berat molekul ultra tinggi (UHMWPE). Di Rusia, penelitian intensif sedang dilakukan ke arah ini di lembaga khusus seperti Institut Penelitian Ilmiah Serat Sintetis Seluruh Rusia, Universitas Negeri Moskow. M.V. Lomonosov, Universitas Teknologi Riset Nasional "MISiS".

Kerugian dari serat UHMWPE termasuk creep tinggi di bawah beban dan modulus geser rendah. Memperkuat matriks polimer serat dengan karbon nanotube dengan tingkat pengisian yang kecil akan secara signifikan mengurangi creep serat di bawah beban. Orientasi polimer akan menyebabkan orientasi pengisi tertentu, yang akan menghasilkan sifat anisotropi, dan peningkatannya ke arah orientasi.

Serat komposit berdasarkan UHMWPE, karena sifatnya, diminati di berbagai bidang konsumsi: industri militer, peralatan untuk transportasi kargo (tali, kabel, sling), jaring ikan dan tekel, bahan untuk operasi di lingkungan yang agresif dan di lingkungan dengan suhu yang sangat rendah.

Dengan demikian, semua hal di atas memungkinkan kita untuk menyimpulkan bahwa pengembangan metode untuk memperoleh serat jenis ini dan mempelajari sifat fisikokimianya adalah tugas yang mendesak dan masuk akal.

1. Tinjauan analitik literatur

1.1 Konsep istilah "serat polimer kekuatan tinggi"

Subyek penelitian utama adalah komposit serat high-strength (HP) berbasis ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) yang dimodifikasi dengan karbon nanotube (CNT) untuk meningkatkan sifat fisik dan mekanik. Serat ini diperoleh dengan pemintalan dari larutan polimer dengan pemintalan gel.

Untuk pertama kalinya, gagasan bahwa seseorang dapat membuat proses yang mirip dengan proses memperoleh sutera alam, di mana cairan kental diproduksi di dalam tubuh ulat sutera, yang mengeras di udara untuk membentuk benang tipis dan kuat, diungkapkan oleh ilmuwan Prancis R. Reaumur pada tahun 1734.

Produksi serat kimia (buatan) pertama di dunia diselenggarakan di Prancis di kota Besançon pada tahun 1890 dan didasarkan pada pemrosesan larutan selulosa eter.

Dari tahun 1990-an hingga sekarang, telah terjadi tahap modern dalam pengembangan produksi serat kimia, munculnya metode modifikasi baru, penciptaan jenis baru serat bertonase besar: "serat masa depan" atau " serat generasi keempat". Diantaranya adalah serat baru berdasarkan bahan tanaman yang dapat direproduksi (lyocell, polylactide), monomer dan polimer baru yang diperoleh dengan sintesis biokimia dan serat berdasarkan mereka. Penelitian sedang dilakukan pada penerapan prinsip-prinsip baru untuk produksi polimer dan serat berdasarkan metode rekayasa genetika dan biomimetik.

Selama lebih dari satu abad sejarah serat kimia, kepentingan praktisnya untuk produksi bahan dan produk yang diperlukan untuk memastikan kehidupan manusia, perkembangan teknologi dan ilmu pengetahuan, telah menjadi tak terbantahkan. Ini adalah pakaian dan barang-barang rumah tangga, produk olahraga dan medis, serta banyak hal lain yang termasuk dalam lingkaran hal-hal penting dan sehari-hari. Pengembangan lebih lanjut dari teknologi, transportasi, konstruksi tidak mungkin tanpa penggunaan bahan komposit berserat.

Di antara serat kimia yang digunakan untuk mendapatkan bahan berserat untuk keperluan rumah tangga, teknis, higienis, medis, dan lainnya, beberapa kelompok dapat dibedakan:

Serat dan benang untuk keperluan umum, serta modifikasinya; - benang elastomer; - ulir kekuatan tinggi, termasuk ulir yang diperoleh dengan fibrilasi film; - utas modulus tinggi tugas berat; - serat dan benang dengan sifat fisik, fisika-kimia dan kimia tertentu; - benang diperoleh dengan metode non-anyaman, pemintalan leleh langsung.

Semua jenis serat di atas mengacu pada jenis produk dengan tonase tinggi, kecuali serat dengan sifat tertentu.

Hanya penciptaan serat dengan sifat tertentu adalah arah yang menjanjikan di zaman kita. Serat polimer sintetis baru - serat generasi ketiga. Penelitian tentang jenis serat ini dimulai pada akhir abad ke-20 dan berlanjut hingga hari ini. Serat generasi ketiga yang dihasilkan, karena sifatnya, digunakan di area tradisional dan baru (dirgantara, otomotif, moda transportasi lain, kedokteran, olahraga, tentara, konstruksi). Area aplikasi ini memaksakan peningkatan persyaratan pada sifat fisik dan mekanik, termal, api, bio, kimia, dan ketahanan radiasi. Berbagai aplikasi di mana serat 3G diminati ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 - Area utama penerapan serat generasi ketiga

Membangun hubungan, hubungan sebab-akibat antara kimia, fisika serat dan sifat-sifatnya mendasari pembuatan serat generasi ke-3 dengan sifat yang telah ditentukan dan, di atas segalanya, dengan kekuatan tarik tinggi, ketahanan aus, lentur, tekanan, elastisitas, panas dan tahan api.

Indikator kekuatan tinggi dicapai tidak hanya karena struktur kimia spesifik dari rantai polimer polimer pembentuk serat (poliamida aromatik, polibenzoksazol, dll.), tetapi juga karena struktur supramolekul fisik yang teratur dan khusus (berputar dari keadaan kristal cair). ), karena berat molekul yang tinggi (energi total ikatan antarmolekul yang tinggi), seperti dalam kasus serat polietilen jenis baru.

1.2 Polietilen dengan berat molekul sangat tinggi sebagai bahan awal untuk mendapatkan serat berkekuatan tinggi

Polietilen tekanan rendah (PE) (HDPE) dengan berat molekul 1-106 g/mol ke atas disebut polietilen dengan berat molekul ultra-tinggi (UHMWPE). PE tersebut memiliki sifat fisik, mekanik, dan kimia yang lebih tinggi daripada grade HDPE standar, ketahanan aus, ketahanan terhadap retak dan beban benturan, koefisien gesekan yang rendah, serta kemampuan untuk mempertahankan properti dalam rentang suhu yang luas: dari minus 200 hingga plus 100 ° C Ketika dipanaskan di atas titik leleh, UHMWPE tidak berubah menjadi cairan kental, yang khas untuk termoplastik, tetapi hanya menjadi sangat elastis. Ketika dipanaskan di atas titik leleh, UHMWPE tidak menjadi kental, yang khas untuk termoplastik, tetapi hanya menjadi sangat elastis.

Dalam hal ketahanan aus, UHMWPE melampaui semua termoplastik yang ada. UHMWPE, tidak seperti banyak polimer lainnya, memiliki efek pelumasan sendiri. Selama operasi di unit gesekan, UHMWPE membentuk film transfer pada rekanan (counter-body), yang bertindak sebagai pelumas, berkat polimer yang dapat bekerja dalam kondisi gesekan kering, memastikan pengoperasian unit yang mulus dan senyap.

Sintesis PE dengan berat molekul tinggi menjadi mungkin dengan menggunakan katalis Ziegler-Natta organologam. Reaksi pertumbuhan rantai PE pada katalis Ziegler-Natta mencakup dua tahap utama - koordinasi monomer dengan situs pertumbuhan aktif dan penyisipannya ke dalam ikatan Me-C.

1.2.1 Struktur UHMWPE

Molekul UHMWPE memiliki dimensi linier yang besar dan jumlah cabang atau ikatan rangkap yang rendah, yang memberikan material berdasarkan kemampuan untuk bekerja dalam kondisi gesekan kering, di lingkungan yang agresif.

Di sisi lain, karena panjangnya yang besar, keterikatan rantai polimer juga meningkat, yang mengurangi kemampuan untuk mengkristal. Formasi kristal sejati sesuai dengan kristal dengan sel ortorombik dan monoklinik. Apa yang disebut sel pseudogonal juga diamati, yang mengacu pada bentuk peralihan dari pemesanan polimer. Keadaan antara seperti itu tidak anomali dan diamati di banyak senyawa makromolekul rantai fleksibel lainnya.

Ada sedikit informasi tentang struktur komponen nonkristalin UHMWPE, yang fraksinya bisa mencapai 50%. Sejumlah data yang dijelaskan dalam pekerjaan menunjukkan bahwa wilayah (amorf) yang tidak teratur dari polimer yang tertutup antara kristal yang berdekatan pada rantai terlipat termasuk lipatan teratur rantai polimer yang tajam yang berdekatan dengan ujung kristalit, serta loop dan ujung yang tidak beraturan panjang. makromolekul.

Dalam jumlah besar, ada juga yang disebut rantai lewat, yang merupakan bagian dari makromolekul yang sama yang secara bersamaan termasuk dalam dua atau lebih kristal yang berdekatan. Diasumsikan bahwa di daerah amorf rantai juga tetap saling sejajar pada jarak kecil, tetapi tidak ada kisi pusat rantai dua dimensi dalam kasus ini. Hanya urutan jarak pendek yang ada dalam susunan makromolekul dan unit.

Dengan peningkatan berat molekul (MW) polietilen, rantai yang lewat mulai terjerat, akibatnya cacat komponen transisi semakin meningkat.

1.2.2 Sifat UHMWPE

UHMWPE, dibandingkan dengan semua jenis PE lainnya, memiliki kekuatan, ketahanan terhadap benturan, dan retak tertinggi. Ciri khas UHMWPE adalah kemampuannya untuk mempertahankan karakteristik kekuatan tinggi dalam rentang suhu yang luas (dari minus 120 o C hingga plus 100 o C). Ini disebabkan oleh fakta bahwa selama kristalisasi PE dari lelehan, semua elemen struktur supramolekul menjadi saling berhubungan oleh makromolekul "melalui".

Selain itu, selalu ada sejumlah simpul fisik dalam polimer (belitan molekuler). Sebagai aturan, yang pertama dan kedua terbentuk terutama karena makromolekul panjang yang terkandung dalam polimer. Molekul yang lewat dari polimer kristal awal dan simpul fisik juga dipertahankan selama peregangan PE, menghubungkan bagian individu dari elemen struktur supramolekul dan menentukan kekuatannya. Ketika panjang makromolekul dan proporsi fraksi molekul tinggi dari polimer meningkat, kandungan molekul yang lewat dan simpul fisik meningkat, dan, akibatnya, jumlah elemen struktur supramolekul yang terikat olehnya juga meningkat. Ini, pada gilirannya, mengarah pada peningkatan kekuatan, ketahanan benturan dan ketahanan retak UHMWPE. Pada suhu rendah, mobilitas makromolekul menurun, dan peran gaya antarmolekul dalam meningkatkan indikator di atas semakin meningkat, semakin panjang makromolekul. Namun, dengan bertambahnya panjang makromolekul, kristalisasi menjadi lebih sulit, sedangkan derajat kristalinitas PE dan ukuran kristal berkurang.

Definisi "kekuatan sejati", mis. dihitung untuk penampang pada saat sampel pecah, untuk UHMWPE tidak berubah dengan meningkatnya suhu dan adalah 28,5 MPa pada suhu dari 60 hingga 100 °C. Untuk HDPE standar, ada penurunan "kekuatan sebenarnya" dengan meningkatnya suhu, dan pada 100°C adalah 15,7 MPa.

Pada suhu negatif, UHMWPE memiliki perpanjangan putus yang jauh lebih tinggi daripada HDPE standar. Artinya, UHMWPE adalah polimer yang lebih fleksibel, dan, akibatnya, lebih tahan beku. Pada suhu positif, gambar berubah, UHMWPE menjadi kurang fleksibel. Ketahanan aus UHMWPE dua kali lipat dari grade HDPE lainnya. UHMWPE memiliki ketahanan benturan yang tinggi dan hampir tidak ada degradasi pada suhu hingga -100 °C. Pada suhu yang lebih rendah (turun ke -180 °C), meskipun sampel uji UHMWPE dihancurkan, nilai kekuatan impak yang relatif tinggi dipertahankan. Resistensi dampak meningkat dengan meningkatnya berat molekul UHMWPE. Saat mempelajari ketergantungan ini, ditunjukkan bahwa peningkatan kekuatan impak diamati untuk UHMWPE hingga berat molekul (5-10) -106 g/mol.

Kekuatan luluh, kekerasan dan modulus elastisitas pada suhu kamar sejalan dengan densitas UHMWPE dan agak lebih rendah daripada HDPE standar.

Tegangan tarik pada kegagalan UHMWPE di seluruh rentang suhu yang dipelajari secara signifikan lebih tinggi daripada HDPE standar.

1.2.3 Mendapatkan UHMWPE

Desain perangkat keras dari proses produksi UHMWPE dan skema teknologi pada dasarnya tidak berbeda dengan produksi grade HDPE standar. Fitur sintesis UHMWPE terletak pada metode teknologi tertentu yang memastikan pembentukan rantai makro dengan berat molekul 1-106 g/mol dan lebih tinggi selama polimerisasi etilen. Oleh karena itu, setiap pemasok UHMWPE memproduksi produknya sesuai dengan metode produksi HDPE sendiri. Jadi, di perusahaan "Hoechst" (Jerman) dan produksi dalam negeri UHMWPE diperoleh dengan metode suspensi menggunakan katalis Ziegler-Natta yang dimodifikasi, dan perusahaan "Phillips" (AS) menggunakan katalis kromium oksida.

Proses polimerisasi etilen dengan adanya katalis pendukung sangat tergantung pada sifat kimia pendukung. Pekerjaan membandingkan katalis yang diperoleh dengan menerapkan 15 TiCl4 ke magnesium oksida dan aluminosilikat. Terlihat bahwa aktivitas katalis pada MgO 40 kali lebih tinggi dari pada TiCl4 murni, dan pada pendukung aluminosilikat hanya 3-4 kali, meskipun luas permukaan spesifik katalis pada Al203 * aSiO2 adalah 6-8 kali lebih tinggi dari pada MgO. Keadaan ini menunjukkan bahwa dukungan tidak hanya substrat yang meningkatkan permukaan distribusi komponen titanium, tetapi juga berpartisipasi dalam aksi kompleks katalitik.

1.2.4 Aplikasi UHMWPE

Sifat morfologis dan struktural UHMWPE, berbeda dari banyak polimer lainnya, menjadikannya bahan yang sangat diperlukan dalam operasi pada suhu rendah, hingga -200 ° C. Ketahanan abrasi memungkinkan untuk menggunakan bahan ini dalam bantalan gelinding dan geser.

Kapasitas redaman dan sifat elastis UHMWPE memungkinkan untuk menggunakan bahan berdasarkan itu dalam teknik mesin sebagai gasket dan peredam kejut.

UHMWPE banyak digunakan dalam industri kimia karena sifatnya yang inert terhadap banyak reagen.

Ini digunakan dalam pembuatan wadah dan peralatan untuk transportasi dan pengoperasian reagen kimia. UHMWPE melapisi permukaan bagian dalam pipa minyak untuk mencegah korosi dan meningkatkan gesekan aliran produk minyak yang menghantarkannya.

Atas dasar gel UHMWPE, serat modulus tinggi dengan tingkat perpanjangan tinggi diperoleh. Jenis serat ini banyak digunakan dalam urusan militer, pembuatan kapal, berbagai peralatan pengikat dan kargo, industri tekstil dan pertanian.

Berbagai macam bahan komposit berdasarkan UHMWPE digunakan sebagai bahan struktural.

Bahan-bahan ini digunakan dalam teknologi penerbangan, luar angkasa, dan pembuatan kapal.

1.3 Gel state UHMWPE

Mendapatkan UHMWPE dalam keadaan gel terjadi dengan melarutkan bubuk reaktornya dalam pelarut organik. Ketika larutan didinginkan sampai suhu kamar, gel mulai terpisah darinya, mendorong pelarut keluar dari volumenya.

1.3.1 Konsep gel dan gagasan umum tentang gel polimer

Gel polimer adalah produk polikondensasi atau polimerisasi (jaringan polimer) yang tidak dapat diinfus dan tidak larut. Titik waktu ketika campuran reaksi kehilangan fluiditas karena ikatan silang rantai polimer yang tumbuh disebut titik gel atau titik gel.

Gel juga disebut polimer linier ikat silang yang membengkak dalam pelarut dan larutan polimer yang telah kehilangan fluiditasnya karena munculnya jaringan molekul spasial yang distabilkan oleh ikatan kimia atau hidrogen, atau sebagai akibat interaksi interolar.

Fitur eksternal yang membedakan gel dari cairan adalah kemampuannya untuk mempertahankan bentuknya, yang dalam gel polimer dicapai karena jaringan makromolekul menembus pelarut. Kekuatan dan kepadatan jaringan spasial menentukan sifat tidak hanya gel itu sendiri, tetapi juga produk pemrosesannya, yang meliputi serat, bahan berpori, membran, dan berbagai sorben. Keuntungan gel polimer dibandingkan lelehan dan larutan terletak pada kemungkinan menciptakan jaringan renggang yang stabil pada material benda kerja.

Gel dapat muncul dalam bentuk endapan lepas yang terpisah atau terbentuk di seluruh volume sistem mula-mula cair tanpa mengganggu homogenitasnya. Gel dengan media dispersi berair disebut hidrogel, dengan hidrokarbon satu - organogel. Gel terdiri dari fase padat dan cair dan merupakan benda setengah padat, jeli. Ini padat dan pada saat yang sama, tidak memiliki bentuk yang stabil - cairan dengan kerangka zat pembentuk jeli.

Tidak seperti sistem dengan ikatan silang kimia, gel adalah sistem yang dihubungkan oleh simpul kristal. Sistem seperti itu bersifat makroskopis dan mudah diuraikan. Kemampuan untuk menguraikan sistem supramolekul gel berbicara tentang kualitas pemintalannya. Semakin mudah untuk mengungkap sistem, semakin mudah untuk mengarahkannya ke arah tertentu.

Struktur umum gel ditunjukkan pada Gambar 2. Ini diwakili oleh jaringan spasial makromolekul terjerat. Yang terakhir, pada gilirannya, membuat titik pertunangan satu sama lain, loop, serta ujung yang menggantung.

Gambar 2 - Skema jaringan spasial supramolekul dari keterlibatan gel polimer

Sifat titik ikat antar makromolekul bisa berbeda, misalnya:

a) ikatan kimia yang dibentuk oleh reaksi ikatan silang. Jika ikatan semacam itu hanya sedikit, maka polimer dapat membengkak dalam pelarut yang sesuai, membentuk gel;

b) ikatan antarmolekul, tetapi hanya jika mereka begitu kuat sehingga energi interaksi polimer dengan pelarut tidak akan cukup untuk menghancurkannya;

c) ikatan antara ion-ion yang ada dalam larutan polimer;

d) ikatan antara rantai polimer dan partikel pengisi aktif yang sangat tersebar yang dimasukkan ke dalam larutan.

Saat ini, ada beberapa klasifikasi gel. Misalnya, gel dapat dipisahkan dengan reversibilitas suhu.

Dalam kerangka kerja ini, gel yang terbentuk pada pembengkakan makromolekul UHMWPE akan dipelajari. Kisi spasial - bingkai - gel tersebut terdiri dari segmen rantai molekul yang terletak di antara titik perlekatan makromolekul (simpul).

1.3.2 Sifat larutan berdasarkan UHMWPE

Properti utama dari solusi UHMWPE dapat dianggap sebagai jaringan keterikatan makromolekul. Jaring semacam itu terdiri dari dua jenis tautan: stabil dan berumur pendek. Proses pembentukan struktur menentukan seluruh kompleks sifat fisik dan mekanik dari sistem yang dihasilkan.

Jumlah belitan dalam larutan ditentukan oleh konsentrasi volume polimer. Jika konsentrasi ini kurang dari yang kritis, bidang koordinasi makromolekul tidak akan tumpang tindih dan tidak akan ada keterikatan sama sekali.

Di wilayah konsentrasi yang lebih tinggi, solusinya "terstruktur", yang dimanifestasikan dalam perilaku viskoelastiknya. Dalam hal ini, penataan bukan merupakan konsekuensi dari pembubaran polimer yang tidak lengkap, tetapi ditentukan oleh adanya jaringan kontak antarmolekul yang berkembang. Dengan peningkatan konsentrasi dan berat molekul polimer terlarut, serta intensifikasi proses pencampuran larutan, efek yang ditunjukkan diperburuk, yang, menurut penulis karya, disebabkan tidak hanya oleh peningkatan jumlah keterikatan rantai makro, tetapi juga dengan penciptaan formasi molekul yang stabil (rekan) dengan waktu relaksasi yang lama.

Pengaruh pencampuran pada struktur larutan konsentrasi rendah UHMWPE dalam xilena dipertimbangkan dalam pekerjaan. Ditemukan bahwa pada tahap awal pencampuran, viskositas larutan sedikit meningkat, dan kemudian mencapai tingkat yang konstan. Tidak ada perubahan nyata dalam struktur solusi dalam kasus ini. Setelah pendinginannya, bukan gel monolitik yang terbentuk, tetapi suspensi keruh dari kristal yang saling berhubungan lemah. Selama pencampuran lebih lanjut, viskositas berubah ekstrim: pertama meningkat dan kemudian menurun. Telah ditetapkan bahwa pada viskositas yang mendekati nilai maksimum, larutan konsentrasi rendah yang mengalami deformasi geser yang cukup kuat menjadi "terstruktur" dan, setelah pendinginan, berubah menjadi keadaan gel dengan morfologi tipe "shish-kebab". Alasan untuk efek ini adalah, seperti yang ditetapkan dalam pekerjaan, penyerapan rantai polimer pada permukaan bagian dalam silinder stasioner dan permukaan luar rotor yang berputar. Selama penyerapan, makromolekul UHMWPE yang diluruskan sebagian membentuk asosiasi yang stabil dan saling terkait satu sama lain, membentuk lapisan jaringan yang tumbuh melintasi celah annular viskometer. Semua ini berkontribusi pada peningkatan tegangan geser dan peningkatan viskositas sistem yang sesuai. Akibatnya, besarnya tegangan yang bekerja pada lapisan mesh yang diserap menjadi sangat tinggi sehingga menyebabkan kehancurannya menjadi partikel terpisah yang tidak terkait, yang didistribusikan secara merata di seluruh volume.

1.3.3 Sifat gel UHMWPE

Untuk polimer sintetik, banyak proses untuk pembuatannya dan, sebagian, proses pemrosesan dikaitkan dengan transisi melalui keadaan gelasi. Transisi ke teknologi gel ini dilakukan bukan dengan mengubah komposisi pelarut, tetapi dengan menurunkan suhu larutan, sehingga terbentuk gel.

Morfologi gel tergantung pada riwayat termal dan reologi larutan. Untuk mencegah pembentukan struktur tipe shish-kebab, gel harus diperoleh dari larutan tenang yang termostat pada suhu tinggi.

Menurut ide-ide yang disajikan dalam karya, gel yang diperoleh dalam kondisi seperti itu adalah sistem jaringan yang diisi dengan pelarut, yang simpulnya adalah kristal pipih (lamellae) yang dihubungkan satu sama lain oleh daerah makromolekul yang tidak mengkristal. Bidang pelipatan rantai dalam kristal kurang sempurna dibandingkan dengan kristal tunggal yang ditumbuhkan dari larutan encer PE linier. Dalam hal ini, kristalisasi UHMWPE tidak terjadi sepenuhnya.

Juga, makalah ini menyajikan hasil studi gel UHMWPE dengan kalorimetri pemindaian diferensial, yang menunjukkan ketergantungan pembentukan struktur kristal gel pada konsentrasi pelarut. Penurunan konsentrasi pelarut dalam gel mengarah pada kelanjutan proses kristalisasi makromolekul. Tergantung pada konsentrasi pelarut dalam serat gel, suhu yang sesuai harus dipilih untuk memastikan adanya jaringan jaring yang optimal untuk mencegah tegangan lebih pada bagian individu makromolekul pada setiap tahap orientasi struktur serat gel.

1.4 Perubahan karakteristik kekuatan benang gel UHMWPE selama peregangan orientasi

Dalam pekerjaan, ketergantungan karakteristik kekuatan serat UHMWPE yang diperoleh dengan gel-spinning pada rasio peregangan dipelajari. Data yang diperoleh dalam penelitian ini ditunjukkan pada Tabel 1.

Gambar 3 menunjukkan bahwa sudah pada tahap awal orientasi, ada peningkatan kekuatan yang signifikan hingga rasio tarik l? 30. Nilai Strength meningkat dari 0.21 menjadi 2.40 GPa. Setelah mencapai kap 30 kali lipat, dan hingga l? 64 peningkatan kekuatan berkurang. Pada tahap terakhir, kekuatan meningkat lagi dan pada l? 81 menjadi maksimum - 3,73 GPa.

Tabel 1 - Karakteristik kekuatan serat gel UHMWPE

Gambar 3 - Ketergantungan kekuatan (1) dan modulus elastisitas (2)

Sesuai dengan Gambar 3, dengan peningkatan rasio peregangan, modulus elastisitas E dari serat gel UHMWPE juga meningkat (kurva 2). Namun, perlu dicatat bahwa sifat perubahan E berbeda dari sifat untuk kekuatan: peningkatan E pada awal menggambar agak lebih lambat (sampai l? 14,4). Dalam kisaran multiplisitas dari 14,4 hingga 30, peningkatan modulus elastisitas yang agak cepat diamati. Selanjutnya, dinamika perubahan E mirip dengan kekuatan.

Dari gambar mikro yang disajikan pada Gambar 4, diperoleh dengan menggunakan SEM, terlihat bahwa diameter filamen berkurang dengan peningkatan rasio peregangan.

Gambar 4 - Gambar mikro SEM dari sampel serat UHMWPE dengan rasio penarikan yang berbeda: 9,0 (a) dan 59,1 (b)

Pada tahap awal peregangan, tidak mungkin untuk membedakan filamen individu dalam serat yang diteliti, sedangkan dengan pertumbuhan l, serat berfibrilasi (dibagi menjadi filamen individu).

1.4.1 Serat UHMWPE berkinerja tinggi

Pertumbuhan pasar global untuk serat ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) dan produk darinya adalah 25% per tahun. Produksi bahan komposit polimer berserat dari serat UHMWPE, kain dan bahan non-anyaman akan menghasilkan peningkatan pasar yang signifikan. Dari semua serat yang dikenal, serat UHMWPE adalah yang paling ringan, dan dalam hal sifat fisik dan mekanik per satuan berat, mereka melampaui banyak bahan yang digunakan. Hal ini memungkinkan untuk memperoleh bahan komposit polimer kekuatan tinggi ultra-ringan (PCM) baru dari serat UHMWPE, yang penting untuk industri tekstil, ringan, otomotif, dirgantara, tak berawak, dan penerbangan komersial. Karakteristik spesifik yang lebih tinggi dari bahan tersebut memungkinkan untuk mengurangi berat produk dan mengurangi beban lingkungan terhadap lingkungan, mengurangi emisi ke atmosfer dan mengurangi konsumsi energi dan bahan bakar.

Ketertarikan pada serat UHMWPE dan bahan komposit polimer (PCM) yang diperkuat olehnya juga dikaitkan dengan kekuatan impak tinggi dan sifat dielektrik yang unik dari serat, efek positif dari laju regangan pada kekuatannya, peningkatan kekuatan yang tajam pada suhu rendah, kimia dan biologis kelembaman, serta koefisien gesekan yang sangat rendah.

Saat ini, serat berdasarkan polietilen dengan berat molekul ultra-tinggi (UHMWPE - serat) dan bahan berdasarkan padanya digunakan di luar negeri sebagai bahan untuk perlindungan balistik (rompi antipeluru, helm, perlindungan pesawat terbang dan kendaraan lapis baja), pembuatan pakaian yang melindungi pekerja dari potongan dan tusukan, serta sebagai bahan untuk pembuatan tali penarik, kabel, sling kargo, jaring ikan dan berbagai macam produk lainnya.

Saat ini, pada sampel terbaik serat UHMWPE - yang unggul dalam karakteristik spesifik untuk serat aramid, kekuatan tarik tertinggi 3,3-3,9 GPa, nilai modulus elastisitas 110-140 GPa, dengan perpanjangan 3 -4%, telah tercapai, yaitu sekitar 10% dari nilai yang mungkin secara teoritis dihitung berdasarkan kekuatan ikatan C-C dalam molekul UHMWPE. Untuk mencapai sifat kekuatan tinggi dalam serat UHMWPE, tingkat orientasi molekul yang tinggi ke arah penarikan serat diperlukan, sambil memastikan tingkat kristalinitas yang tinggi. Mencapai keadaan ini di UHMWPE adalah masalah yang sulit, mengingat mobilitas molekul yang rendah, menghasilkan viskositas polimer yang tinggi, yang tidak masuk ke keadaan fluiditas saat meleleh. Pada saat yang sama, derajat kristalinitasnya menurun secara signifikan selama peleburan berulang dari UHMWPE yang berorientasi sebelumnya. Dengan demikian, proses memperoleh serat harus berlangsung pada suhu di bawah titik leleh polimer. Untuk memastikan tingkat orientasi molekul UHMWPE yang diperlukan dan meningkatkan mobilitasnya, digunakan teknologi gel. Untuk mendapatkan gel UHMWPE, digunakan minyak decalin, xylene, dan parafin. Pada saat yang sama, tidak ada data sistematis tentang pengaruh kondisi untuk memperoleh gel, kondisi untuk pemrosesannya menjadi serat, dan hubungan antara derajat peregangan orientasi, struktur serat, dan prekursor dalam literatur terbuka.

1.5 Karbon nanotube (CNT) sebagai pengubah serat UHMWPE

Karena perkembangan nanoteknologi yang cepat, serta karena sifat fisik dan kimia yang unik, CNT saat ini menjadi salah satu objek yang paling banyak dipelajari. Mereka adalah bidang graphene yang digulung menjadi silinder. Ketika dinding tabung dibentuk oleh satu silinder seperti itu, mereka berbicara tentang nanotube karbon berdinding tunggal (SWCNTs), tetapi ketika dinding beberapa atau banyak silinder dengan diameter berbeda bersarang satu sama lain, nanotube disebut multi-dinding ( MWNT).

1.5.1 Properti dan aplikasi CNT

Seperti objek berukuran nano lainnya, sifat-sifat CNT umumnya bergantung pada ukurannya. Selain itu, fraksi atom yang signifikan dalam hal ini adalah permukaan, yang menentukan aktivitas kimia nanotube. Dengan demikian, mereka memiliki sifat yang berbeda dari mikro dan makro, yang penting untuk sejumlah proses, ketika keadaan dan jumlah atom permukaan merupakan salah satu faktor penentu.

Sebuah nanotube yang ideal adalah silinder yang diperoleh dengan rolling mulus dari grid heksagonal datar grafit. Modelnya ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5 - Model tabung nano karbon dinding tunggal

Orientasi timbal balik dari jaringan heksagonal grafit dan sumbu longitudinal nanotube menentukan karakteristik struktural yang sangat penting dari nanotube - kiralitas. Kiralitas dicirikan oleh dua bilangan bulat (m, n) yang menunjukkan lokasi segi enam dari kisi, yang, sebagai hasil dari pelipatan, harus bertepatan dengan segi enam yang terletak di titik asal. Kiralitas nanotube juga dapat dilambangkan dan ditentukan oleh sudut a yang dibentuk oleh arah lipatan nanotube dan arah di mana segi enam yang berdekatan berbagi sisi yang sama. Ada banyak varian lipat CNT, tetapi di antaranya menonjol, sehingga struktur jaringan heksagonal tidak terdistorsi. Arah ini sesuai dengan sudut a = 00 dan a = 300, yang sesuai dengan kiralitas (m, 0) dan (2m, n). Gambar 6 menunjukkan gambar mikro pertama CNT sejak tahun 1992.

Gambar 6 - Gambar mikroskopis elektron dari CNT koaksial multilayer dengan diameter dalam dan luar yang berbeda

Bidang penerapan CNT sangat luas. Untuk biokimia, khususnya, fungsionalisasi permukaan CNT oleh zat aktif biologis dan biomolekul adalah yang paling menarik. Karena sifat unik MWCNT, mereka dapat secara spontan menembus ke dalam sel hidup melalui lapisan bilipid membran. Menjadi mungkin untuk memanipulasi molekul di dalam sel, membuat jaringan saraf tiruan, transfer nano zat aktif biologis ke dalam tubuh, dll.

Perlu juga dicatat kekakuan tinggi, kekuatan dan elastisitas MWCNT itu sendiri, yang mendasari pembuatan material komposit baru berdasarkan bahan tersebut, dan sifat konduktif listrik dan fotoemisi yang unik, yang secara langsung berkaitan dengan struktur tabung nano. Tergantung pada cara lapisan grafit digulung menjadi silinder, CNT dapat memiliki sifat logam atau semikonduktor, yang membuatnya menjanjikan untuk digunakan dalam elektronik. Pengenalan CNT ke dalam matriks polimer memungkinkan untuk memperoleh bahan polimer konduktif yang juga memiliki sifat mekanik yang lebih baik dibandingkan dengan polimer murni.

1.5.2 Pengaruh CNT pada struktur dan sifat serat VP yang diperoleh dari UHMWPE

Dalam karya asing, dicatat bahwa pengisian awal bahan polimer dengan CNT sebelum orientasi berikutnya adalah metode yang efektif untuk meningkatkan sifat mekanik, yang dicapai karena dispersi tambahan pengisi, integrasi yang lebih dalam ke dalam rantai polimer, dan peningkatan interaksi antara pengisi dan matriks. Orientasi polimer menyebabkan orientasi spesifik pengisi, yang mengarah pada sifat anisotropi, dan peningkatannya dalam satu arah.

Saat ini sedang dilakukan pengembangan untuk mendapatkan serat komposit berbasis UHMWPE yang diperkuat dengan bahan pengisi tersebar, termasuk CNT, untuk meningkatkan sifat fisik, mekanik dan operasional.

Pengaruh CNT terhadap modulus elastisitas pada nanokomposit berorientasi memiliki perilaku yang kompleks. Jika dalam kasus nanokomposit isotropik, saat mengisi CNT, peningkatan modulus elastisitas diamati, maka untuk nanokomposit berorientasi, modulus elastisitas dapat menurun, tetap konstan, atau meningkat dengan pengenalan CNT. Dalam pekerjaan, penurunan modulus elastisitas dijelaskan oleh fakta bahwa MWCNTs mencegah orientasi rantai polimer UHMWPE. Dan oleh karena itu, struktur berorientasi nanokomposit dengan rasio elongasi l = 100 sesuai dengan struktur berorientasi polimer tidak terisi dengan rasio elongasi l = 25. Dalam pekerjaan, modulus elastisitas untuk semua serat yang diperoleh lebih dari 20 GPa . Dan penulis karya tersebut mencatat bahwa pada modulus elastisitas yang begitu tinggi, CNT tidak dapat berkontribusi pada peningkatan kekakuan tambahan jika tidak sepenuhnya berorientasi ke arah sumbu serat dan tersebar ke nanotube individu. Kelompok peneliti yang sama, dalam pekerjaan mereka selanjutnya, mencapai peningkatan yang signifikan dalam modulus elastisitas menjadi 136,8 GPa, dengan pengenalan fraksi massa 0,05 MWCNT, dengan meningkatkan teknologi pencampuran dan orientasi serat.

Telah terbukti dalam pekerjaan bahwa penambahan CNT dalam kisaran derajat pengisian yang kecil dapat secara signifikan meningkatkan sifat termal, listrik dan mekanik karena strukturnya yang seperti grafit.

Hasil yang diperoleh dalam pekerjaan ini menunjukkan bahwa nanotube karbon terdistribusi secara merata dalam serat UHMWPE dan membentuk ikatan yang kuat dengannya selama kristalisasi dari larutan. Sifat mekanik dan termal bahan yang diperoleh dari solusi tersebut memiliki tingkat yang lebih tinggi dibandingkan dengan bahan serupa dari UHMWPE tidak terisi. Disimpulkan juga bahwa ketika menambahkan lebih dari 0,06 fraksi massa MWCNT, peningkatan sifat mekanik tidak sepenting pada konsentrasi pengisi yang lebih rendah. Dari sini, serta dari data yang diberikan dari karya serupa, dapat disimpulkan bahwa tingkat optimal pengisian UHMWPE dengan nanotube karbon adalah dari 0,001 hingga 0,05 fraksi massa.

Peningkatan sifat mekanik matriks polietilen yang mengandung CNT juga dapat dimulai sebagai akibat dari perubahan struktur supramolekul dari matriks polimer. CNT memiliki dimensi geometris yang sebanding dengan kristal polietilen, dan oleh karena itu keberadaan nanotube dapat mempengaruhi kristalisasi polimer dan pengemasan rantai polietilen. Karena ukurannya yang berskala nano, CNT dapat bertindak sebagai aditif nukleasi dan mengubah mekanisme kristalisasi dari homogen menjadi heterogen, yang telah dicatat dalam karya ini. Dengan mekanisme kristalisasi heterogen, sebagai suatu peraturan, peningkatan derajat kristalinitas matriks polimer terjadi. Dalam karya tersebut, dengan mekanisme kristalisasi UHMWPE yang heterogen pada MWCNT, tingkat kristalinitas menurun sebesar 5%. Pertumbuhan kristal polietilen dapat terjadi baik pada permukaan nanotube individu dan pada cluster. Dalam pengerjaannya, SEM nanokomposit MWCNT - UHMWPE menunjukkan pertumbuhan kristal polimer dari cluster MWCNT dengan ukuran 1 m.

Kristalisasi heterogen memiliki dua titik pembeda. Pertama, peningkatan proporsi fase kristal menyebabkan peningkatan kekuatan dan kekakuan matriks polimer itu sendiri. Kedua, kristalisasi polimer pada permukaan CNT mengarah pada pembentukan interaksi mekanis yang kuat dan, sebagai akibatnya, peningkatan kemampuan matriks untuk mentransfer beban ke pengisi. Dalam semua pekerjaan yang disebutkan di atas, di mana peningkatan sifat mekanik diamati pada penambahan CNT, kristalisasi polietilen terjadi pada permukaan nanotube.

CNT memiliki pengaruh besar pada struktur supramolekul polietilen. Dalam keadaan isotropik, polietilen sebagian besar memiliki struktur kristal pipih, dalam struktur fibrilar yang berorientasi. Pada permukaan nanotube, PE mampu mengkristal menjadi struktur tipe shish-kebab, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Struktur ini adalah disk yang dibentuk oleh lamela polietilen rantai terlipat, pusat pertumbuhannya adalah kristal fibrilar internal yang dirangkai pada tabung nano karbon.

Gambar 7 - Struktur supramolekul dari jenis shish-kebab yang dibentuk oleh kristalisasi PE pada permukaan CNT

Struktur shish-kebab dapat terbentuk pada permukaan CNT karena panjangnya yang besar, diameter nanometer nanotube, dan kepadatan rata-rata pusat nukleasi aktif kristalisasi. Diameter permukaan tempat PE mengkristal memainkan peran besar dalam pembentukan struktur shish-kebab. Ketika diameter pengisi berserat melebihi yang kritis, misalnya, selama kristalisasi pada permukaan serat karbon, kristalisasi polimer terjadi, seolah-olah berada di permukaan yang datar, Gambar 8. Oleh karena itu, geometri serat struktur kristal polimer sangat bergantung pada geometri nanotube, dan tidak bergantung pada kiralitasnya.

Kristalisasi polimer pada permukaan CNT, dalam bentuk struktur kristal shish-kebab, memungkinkan untuk memperoleh nanokomposit dengan kristal berorientasi, karena orientasi pengisi dan pertumbuhan terarah fase kristal, tegak lurus ke permukaan. dari nanotube.

Gambar 8 - Sifat kristalisasi PE pada permukaan a) CNT dan b) serat karbon

Serat berdasarkan UHMWPE memiliki perpanjangan relatif orde 5%. Pemanjangan relatif serat komposit UHMWPE/CNT memiliki kecenderungan dua kali lipat. Dalam satu kasus, ada peningkatan perpanjangan relatif dibandingkan dengan bahan yang tidak mengandung nanotube. Dalam karya lain, ada penurunan perpanjangan relatif, dengan penambahan CNT. Peningkatan pemanjangan relatif dari serat yang mengandung CNT dijelaskan oleh peningkatan mobilitas rantai sebagai akibat dari kristalisasi sekunder. Kristalisasi sekunder terjadi dalam proses pemanasan prekursor serat sampai 120 0 C, ketika mereka berorientasi pada keadaan akhir serat. Menurut penulis, dalam proses kristalisasi sekunder, struktur jenis shish-kebab terbentuk, yang memiliki mobilitas rantai lebih besar daripada struktur kristal UHMWPE asli.

Perhatian khusus harus diberikan pada pekerjaan di mana orientasi prekursor serat dilakukan dengan metode "memuat - membongkar" siklik pada suhu kamar. Inti dari metode ini adalah untuk "melatih" serat, dengan memuatnya, ke nilai yang sesuai dengan kekuatan luluh, dan selanjutnya menghilangkan tegangan tarik. Dengan setiap siklus berikutnya, tegangan tarik yang diterapkan meningkat. Bongkar muat siklik seperti itu terus berlanjut sampai terjadi penghancuran serat. Deformasi total serat mencapai lebih dari 200%. Tegangan yang dihasilkan dalam serat dicatat sebagai tegangan sebenarnya, yaitu dalam hal perubahan penampang serat dalam proses deformasi.

Secara total, dua jenis serat dipelajari: serat UHMWPE tanpa pengisi dan serat UHMWPE yang mengandung fraksi massa 0,02. Untuk serat UHMWPE yang tidak terisi, setelah "pelatihan", kekuatan sejati dan modulus elastisitas maksimum masing-masing adalah 0,97 GPa dan 3,9 GPa. Untuk serat yang mengandung 0,02 fraksi massa MWCNTs, kekuatan sebenarnya dan modulus elastisitas maksimum adalah 1,9 GPa dan 10,3 GPa.

Perlu dicatat bahwa selama "pelatihan" siklik material, pertumbuhan sifat mekanik terjadi karena perubahan berikut dalam struktur polimer:

Pembentukan struktur fibril pada UHMWPE:

Meningkatkan derajat kristalinitas polimer;

Orientasi MWCNT sepanjang arah aplikasi beban.

Skema siklik "memuat - membongkar" bahan polimer menyebabkan pengerasan regangan polimer, sebagai akibat dari pelurusan sebagian lamela, pembentukan struktur fibrilar yang berorientasi, dan fragmentasi fase kristal menjadi kristal yang lebih kecil. Untuk mengevaluasi ukuran kemampuan bahan polimer untuk bekerja mengeras, eksponen eksponen n digunakan, dari Persamaan 1:

dimana K adalah faktor kekuatan,

e - deformasi,

n - indikator eksponensial pengerasan regangan.

Perhitungan indeks pengerasan regangan eksponensial menunjukkan bahwa untuk matriks UHMWPE yang tidak terisi n=0,91, dengan penambahan MWCNTs meningkat menjadi n=1,15. Oleh karena itu, MWCNT meningkatkan kemampuan material untuk mengeras sebagai akibat dari bongkar muat siklik. Dapat juga dicatat bahwa MWCNT adalah aditif nukleasi dan berkontribusi pada peningkatan derajat kristalinitas UHMWPE. Dan "pelatihan" serat mengarah pada peningkatan tambahan dalam tingkat kristalinitas sebesar 4% untuk UHMWPE yang tidak terisi, dan sebesar 6% untuk UHMWPE/MWNT. Peningkatan total dalam derajat kristalinitas, karena bongkar muat siklik dan MWCNT, terjadi sebesar 15%. Fouling nanotube dengan lapisan polimer, sebagai akibat dari kristalisasi heterogen, berkontribusi pada transfer tekanan dari matriks ke nanotube.

Studi di mana peningkatan sifat mekanik diamati menunjukkan pembentukan adhesi yang kuat antara polimer dan CNT. Penguatan adhesi terjadi dengan mekanisme adhesi mekanis dari filler dan matriks, karena pertumbuhan kristal polimer pada permukaan CNT, jika CNT adalah aditif nukleasi.

Sifat mekanik serat sangat dipengaruhi oleh struktur interfibrilar polimer. Molekul amorf yang menembus kristal fibrilar memainkan peran penting dalam transfer tekanan antar kristal. Pelurusan molekul amorf menyebabkan peningkatan modulus elastisitas dan kekuatan tarik serat. Oleh karena itu, dalam analisis serat, kelas khusus molekul amorf "molekul pengikat" diisolasi, yang berada dalam keadaan sangat teregang dan mengikat bersama daerah kristal fibrilar polimer. Jumlah molekul-molekul ini dalam struktur interfibrilar serat sangat menentukan perilaku mekanisnya.

1.5.3 Metode untuk memperkenalkan CNT ke dalam solusi UHMWPE

Salah satu aplikasi yang paling menjanjikan dari karbon nanotube adalah penggunaannya sebagai pengisi penguat di berbagai matriks, termasuk polimer. Produksi skala besar, biasanya dalam kerangka metode deposisi fase uap (CVD), menghasilkan CNT dalam bentuk aglomerat tabung terjerat, dengan ukuran 20-500 mikron.

Penggunaan CNT memungkinkan untuk meningkatkan karakteristik kekuatan deformasi PCM; namun, tingkat efek positif yang dicapai sebagian besar bergantung pada teknologi pengenalan CNT. Masalah utama adalah agregasi CNT, yang sebagian diselesaikan dengan menggunakan metode yang sangat efisien untuk dispersi mereka, tetapi pengembangan teknologi baru untuk pengenalan nanopartikel, termasuk CNT, tetap topikal.

Pada saat yang sama, kinerja tinggi bahan komposit yang diisi dengan CNT dapat diperoleh di bawah kondisi distribusi seragam mereka dalam matriks polimer. Hal ini menyebabkan perlunya menemukan metode yang efisien untuk mendispersikan aglomerat CNT.

Makalah ini menjelaskan dengan baik metode deaglomerasi CNT dalam larutan dan homogenisasi larutan selanjutnya dengan paparan ultrasound. Dalam penyebar ultrasonik, dalam larutan glukosa atau etanol berair, bubuk CNT diperlakukan pada berbagai konsentrasi. Homogenisasi larutan dilakukan dalam dua mode: disintegrasi ultrasonik dan mode kavitasi. Penyelidikan dengan metode spektroskopi laser korelasi membantu untuk mendapatkan bentuk fungsi distribusi partikel CNT berdasarkan ukuran untuk berbagai sistem, yang ditunjukkan pada Gambar 9.

Gambar 9 - Distribusi ukuran aglomerat CNT dalam larutan glukosa berair: 1 - mode kavitasi; 2 - disintegrasi ultrasonik

Analisis data yang diperoleh memungkinkan kita untuk menyimpulkan bahwa disintegrasi ultrasonik tidak menyebabkan perubahan signifikan dalam ukuran aglomerat CNT, namun, mereka mengambil bentuk partikel yang diperluas dengan diameter sekitar 0,5-1,0 m dan panjang 5 -100 m. Apa yang tidak bisa dikatakan tentang rezim kavitasi.

Tingkat homogenisasi dalam mode kavitasi jauh lebih tinggi dan tergantung pada konsentrasi CNT dalam larutan. Misalnya, untuk konsentrasi 0,05 fraksi massa CNT, partikel mengambil ukuran dalam kisaran 0,2–1,0 m, dan pada 0,02 fraksi massa CNT, dua ukuran jumlah partikel utama dicatat: 0,01–0,10 m dan 1 .0-5.0 m.

Salah satu alasan utama aglomerasi CNT adalah luas permukaan spesifiknya yang besar (100–600 m 2 /g). Untuk mengatasi masalah ini, CNT dimodifikasi atau difungsikan. Proses fungsionalisasi adalah transformasi kimia yang mengarah pada pembentukan gugus fungsi aktif pada permukaan CNT. Metode paling umum untuk memfungsikan nanotube adalah memperlakukannya dengan campuran asam nitrat dan sulfat pekat. Gambar 10 menunjukkan gambar CNT sebelum dan sesudah fungsionalisasi dalam campuran asam pekat selama 2 jam.

Dokumen serupa

    Jenis, sifat, struktur dan karakteristik serat karbon, produksinya berdasarkan serat PAN. Keteraturan utama proses grafitisasi dan karbonisasi. Pengaruh kondisi modifikasi permukaan hidrokarbon terhadap aktivitas dan struktur porinya.

    makalah, ditambahkan 17/02/2009

    Membentuk serat dari larutan polimer. Pembentukan benang cair dan fiksasinya selama proses pencetakan. Informasi pengawetan benang. Fiksasi benang selama penguapan pelarut. Proses difusi dalam pembentukan serat. Peregangan orientasi serat.

    makalah, ditambahkan 01/04/2010

    Studi fitur struktural polietilen yang muncul dalam film dan serat bikomponen yang berorientasi sebagai hasil dari anil dalam kondisi isometrik. Perbandingan pola difraksi sinar-X dari film asli dan film anil. Kristalisasi polietilen cair.

    artikel, ditambahkan 22/02/2010

    Studi sifat orientasi kristalit dalam film PE dan komposisi setelah deformasi dan anilnya. Homogenisasi ekstrusi dalam mixer berosilasi cacing. Sifat mekanik dan relaksasi komposisi. Sifat kurva deformasi mereka.

    abstrak, ditambahkan 18/03/2010

    Sifat fisiko-mekanis dan fisiko-kimia serat sintetis. Senyawa polimer pertama. Mendapatkan serat sintetis dan klasifikasinya. Karborantai dan heterorantai, poliakrilonitril, polivinil klorida, serat poliamida.

    presentasi, ditambahkan 20/04/2015

    Proses deformasi spontan dalam uap nitromethane dari serat asetat yang tersuspensi secara vertikal. Fitur pemanjangan spontan eter selulosa. Studi tentang sifat utama serat asetat yang terdeformasi dalam media uap nitromethane.

    makalah, ditambahkan 02/01/2010

    Klasifikasi hidrokarbon, turunan fungsionalnya. Reaksi polimerisasi, sifat mekanik dan kimia khusus polimer. Prinsip umum untuk produksi serat buatan. Serat asetat, struktur kimia, produksi, sifat.

    tes, ditambahkan 29/03/2013

    Konsep polimer nanokomposit. Pengembangan metode untuk memperoleh dan mempelajari sifat penyerapan komposit berdasarkan campuran serbuk polietilen densitas rendah terdispersi nano, selulosa, serat karbon aktif dan karbon aktif.

    tesis, ditambahkan 18/12/2012

    Basis fisika-kimia untuk memperoleh serat tembaga-amoniak berdasarkan selulosa. Pengaruh rezim dan keberadaan aditif pada hasil produk dan kualitasnya. Memperoleh larutan pemintalan amonia tembaga secara eksperimental. Analisis CVC dari kurva bersiklus.

    makalah, ditambahkan 05/01/2010

    Teknologi untuk mendapatkan solusi pemintalan poliakrilonitril. Karakteristik bahan baku. Perubahan sifat serat akrilonitril pada penggantian asam itakonat dalam kopolimer. Pelarut organik yang digunakan untuk memproduksi serat poliakrilonitril.

· Aplikasi · Efek toksik · Artikel terkait · Komentar · Catatan · Sastra · Situs resmi ·

Skema struktur berbagai modifikasi karbon
sebuah: berlian, b: grafit, c: lonsdaleite
d: fullerene - buckyball C 60 , e: fullerene C 540 , f: fullerene C 70
g: karbon amorf, h: tabung nano karbon

Lagi: Alotropi karbon

Karbon kristal

  • berlian
  • Grafena
  • grafit
  • Karabin
  • lonsdaleite
  • berlian nano
  • Fullerene
  • fullerite
  • serat karbon
  • serat nano karbon
  • nanotube karbon

karbon amorf

  • Karbon aktif
  • Arang
  • Batubara fosil: antrasit, dll.
  • Coke batubara, kokas minyak bumi, dll.
  • karbon kaca
  • karbon hitam
  • nanofoam karbon

Dalam praktiknya, biasanya bentuk amorf yang tercantum di atas adalah senyawa kimia dengan kandungan karbon tinggi, dan bukan bentuk karbon alotropik murni.

bentuk cluster

  • Astralens
  • dikarbon
  • nanocone karbon

Struktur

Orbital elektron atom karbon dapat memiliki geometri yang berbeda, berdasarkan tingkat hibridisasi orbital elektronnya. Ada tiga geometri dasar atom karbon.

  • tetrahedral, dibentuk dengan mencampurkan satu elektron s- dan tiga elektron p (hibridisasi sp3). Atom karbon terletak di tengah tetrahedron, dihubungkan oleh empat ikatan ekuivalen dengan atom karbon atau lainnya di simpul tetrahedron. Geometri atom karbon ini sesuai dengan modifikasi alotropik dari berlian karbon dan lonsdaleite. Karbon memiliki hibridisasi seperti itu, misalnya, dalam metana dan hidrokarbon lainnya.
  • trigonal, dibentuk dengan mencampurkan satu s- dan dua orbital p-elektron (hibridisasi sp2). Atom karbon memiliki tiga ikatan ekuivalen yang terletak pada bidang yang sama dengan sudut 120° satu sama lain. Orbital p, yang tidak terlibat dalam hibridisasi dan terletak tegak lurus terhadap bidang ikatan , digunakan untuk membentuk ikatan dengan atom lain. Geometri karbon ini khas untuk grafit, fenol, dll.
  • digonal, dibentuk dengan mencampurkan satu elektron s dan satu elektron p (hibridisasi sp). Selain itu, dua awan elektron memanjang sepanjang arah yang sama dan terlihat seperti halter asimetris. Dua elektron p lainnya membentuk -ikatan. Karbon dengan geometri atom seperti itu membentuk modifikasi alotropik khusus - Karbin.

Pada tahun 2010, peneliti Universitas Nottingham Stephen Liddle dan rekan memperoleh senyawa (dilithiomethandium monomer) di mana empat ikatan karbon berada di bidang yang sama. Sebelumnya, kemungkinan "karbon datar" diprediksi oleh Paul von Schleyer untuk suatu zat, tetapi tidak disintesis.

grafit dan berlian

Modifikasi alotropik karbon yang utama dan dipelajari dengan baik adalah intan dan grafit. Dalam kondisi normal, hanya grafit yang stabil secara termodinamika, sedangkan berlian dan bentuk lain yang metastabil. Pada tekanan atmosfer dan suhu di atas 1200 K, berlian mulai berubah menjadi grafit; di atas 2100 K, transformasi terjadi dalam hitungan detik. H 0 transisi - 1,898 kJ / mol. Pada tekanan normal, karbon menyublim pada 3780 K. Karbon cair hanya ada pada tekanan eksternal tertentu. Titik rangkap tiga: grafit-cair-uap T = 4130 K, R= 10,7 MPa. Transisi langsung grafit menjadi intan terjadi pada 3000 K dan tekanan 11-12 GPa.

Pada tekanan di atas 60 GPa, diasumsikan pembentukan modifikasi C III yang sangat padat (densitasnya 15-20% lebih tinggi dari densitas intan), yang memiliki konduktivitas logam. Pada tekanan tinggi dan suhu yang relatif rendah (sekitar 1200 K), grafit berorientasi tinggi membentuk modifikasi heksagonal karbon dengan kisi kristal tipe wurtzite - lonsdaleite (a = 0,252 nm, c = 0,412 nm, grup ruang P6 3 /mmc), kepadatannya adalah 3,51 g/cm, yaitu sama dengan berlian. Lonsdaleite juga ditemukan di meteorit.

Berlian sangat halus (nanodiamonds)

Pada tahun 1980-an di Uni Soviet, ditemukan bahwa di bawah kondisi pemuatan dinamis bahan yang mengandung karbon, struktur seperti berlian dapat terbentuk, yang disebut berlian ultrafine (UDD). Saat ini, istilah "nanodiamonds" semakin banyak digunakan. Ukuran partikel dalam bahan tersebut adalah beberapa nanometer. Kondisi untuk pembentukan UDD dapat diwujudkan selama peledakan bahan peledak dengan keseimbangan oksigen negatif yang signifikan, misalnya, campuran TNT dengan RDX. Kondisi seperti itu juga dapat terjadi selama tumbukan benda langit di permukaan bumi dengan adanya bahan yang mengandung karbon (organik, gambut, batu bara, dll.). Jadi, di zona jatuhnya meteorit Tunguska, UDD ditemukan di serasah hutan.

Karabin

Modifikasi kristal karbon dari singoni heksagonal dengan struktur rantai molekul disebut Karbin. Rantainya berupa poliena (-CC-) atau polikumulen (=C=C=). Beberapa bentuk karabin diketahui, berbeda dalam jumlah atom dalam sel satuan, ukuran sel dan kepadatan (2,68-3,30 g/cm). Karbin terjadi di alam dalam bentuk mineral chaoite (garis-garis putih dan inklusi dalam grafit) dan diperoleh secara artifisial - dengan dehidropolikondensasi oksidatif asetilena, dengan aksi radiasi laser pada grafit, dari hidrokarbon atau CCl 4 dalam plasma suhu rendah.

Carbyne adalah bubuk kristal halus berwarna hitam (densitas 1,9-2 g / cm), memiliki sifat semikonduktor. Diperoleh dalam kondisi buatan dari rantai panjang atom karbon yang ditumpuk sejajar satu sama lain.

Carbyne adalah polimer linier karbon. Dalam molekul karabin, atom karbon dihubungkan dalam rantai secara bergantian baik dengan ikatan rangkap tiga dan tunggal (struktur poliena) atau secara permanen oleh ikatan rangkap (struktur polikumulen). Zat ini pertama kali diperoleh oleh ahli kimia Soviet V. V. Korshak, A. M. Sladkov, V. I. Kasatochkin dan Yu. P. Kudryavtsev pada awal 1960-an. di Institut Senyawa Organoelemen dari Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet. Karbin memiliki sifat semikonduktor, dan di bawah pengaruh cahaya, konduktivitasnya meningkat pesat. Aplikasi praktis pertama didasarkan pada properti ini - di fotosel.

Fullerene dan karbon nanotube

Karbon juga dikenal dalam bentuk partikel cluster C 60 , C 70 , C 80 , C 90 , C 100 dan sejenisnya (Fullerene), dan selain itu graphenes, nanotube dan struktur kompleks - astralenes.

Karbon amorf (struktur)

Struktur karbon amorf didasarkan pada struktur tidak teratur dari grafit kristal tunggal (selalu mengandung pengotor). Ini adalah kokas, coklat dan batubara keras, karbon hitam, jelaga, karbon aktif.

Grafena

Lagi: Grafena

Grafena adalah modifikasi alotropik karbon dua dimensi, dibentuk oleh lapisan atom karbon setebal satu atom, dihubungkan melalui ikatan sp ke dalam kisi kristal dua dimensi heksagonal.

ARTIKEL TERKAIT