ფუნქციურად მოდიფიცირებული ნახშირბადის ნანომილები, როგორც მგრძნობიარე მასალა ქიმიური და ბიოსენსორებისთვის. მიღება გელის წარმომქმნელი ბოჭკოებით ულტრამაღალმოლეკულური წონის პოლიეთილენისგან, მოდიფიცირებული ნახშირბადის ნანომილებით

ნახშირბადის ფხვნილი მასალები (გრაფიტები, ნახშირბადები, ნახშირბადის შავკანიანები, CNTs, გრაფენები) ფართოდ გამოიყენება, როგორც ფუნქციური შემავსებლები სხვადასხვა მასალისთვის, ხოლო ნახშირბადის შემავსებლების კომპოზიტების ელექტრული თვისებები განისაზღვრება ნახშირბადის სტრუქტურით და თვისებებით, ასევე ტექნოლოგიით. მათი წარმოების. CNTs არის ფხვნილი მასალა, რომელიც დამზადებულია ნახშირბადის ალოტროპული ფორმის ჩარჩო სტრუქტურებისგან, ღრუ მრავალკედლიანი CNT-ების სახით 10-100 ნმ გარე დიამეტრით (ნახ. 1). როგორც ცნობილია, CNT-ების ელექტრული წინაღობა (ρ, Ohm∙m) დამოკიდებულია მათი სინთეზისა და გაწმენდის მეთოდზე და შეიძლება მერყეობდეს 5∙10-8-დან 0.008 Ohm∙m-მდე, რაც ნაკლებია.
გრაფიტზე.
გამტარი კომპოზიტების წარმოებისას დიელექტრიკს ემატება მაღალი გამტარი მასალები (ლითონის ფხვნილები, ნახშირბადის შავი, გრაფიტი, ნახშირბადი და ლითონის ბოჭკოები). ეს შესაძლებელს ხდის პოლიმერული კომპოზიტების ელექტრული გამტარობისა და დიელექტრიკული მახასიათებლების შეცვლას.
წინამდებარე კვლევა ჩატარდა CNT-ების ელექტრული წინაღობის შეცვლის შესაძლებლობის დასადგენად მათი შეცვლით. ეს გააფართოვებს ასეთი მილების გამოყენებას, როგორც შემავსებელი პოლიმერული კომპოზიტების დაგეგმილი ელექტროგამტარობის მქონე. სამუშაოებში გამოყენებული იქნა ALIT-ISM-ის (ჟიტომირი, კიევი) მიერ წარმოებული CNT ფხვნილების ნიმუშები და ქიმიურ მოდიფიკაციას დაქვემდებარებული CNT ფხვნილები. ნახშირბადის მასალების ელექტრული მახასიათებლების შესადარებლად CNT "Taunit" (ტამბოვი) ნიმუშები, სინთეზირებული TU 2166-001-02069289-2007 მიხედვით, CNT შპს "TMSpetsmash" (კიევი), დამზადებულია TU U 24.1-001-0309 მიხედვით. :2009, ტილო გრაფიტი. ALIT-ISM და Taunit-ის მიერ წარმოებული CNT-ები სინთეზირებულია CVD მეთოდით NiO/MgO კატალიზატორზე, ხოლო CNT-ები OOO TMSpetsmash-დან სინთეზირებულია FeO/NiO კატალიზატორზე (ნახ. 2). კვლევაში, იმავე პირობებში, იგივე შემუშავებული მეთოდების გამოყენებით, განისაზღვრა ნახშირბადის მასალების ნიმუშების ელექტროფიზიკური მახასიათებლები. ნიმუშების ელექტრული წინაღობა გამოითვალა მშრალი ფხვნილის ნიმუშის დენის-ძაბვის მახასიათებლების განსაზღვრით, დაჭერილი 50 კგ წნევაზე (ცხრილი 1).
CNT-ების მოდიფიკაციამ (Nos. 1-4) აჩვენა CNT-ების ელექტროფიზიკური მახასიათებლების შეცვლის შესაძლებლობა ფიზიკოქიმიური ზემოქმედების დახმარებით (იხ. ცხრილი 1). კერძოდ, ორიგინალური ნიმუშის ელექტრული წინაღობა შემცირდა 1,5-ჯერ (No1); ხოლო No2-4 ნიმუშებზე - 1,5-3-ჯერ გაზრდა.
ამავდროულად, მინარევების საერთო რაოდენობა (წილი არაწვადი ნარჩენების სახით) შემცირდა
2.21 (ორიგინალი CNT) 1.8%-მდე ამისთვის
ნიმუში No1 და 0,5%-მდე - No3-ისთვის. No2–4 ნიმუშების სპეციფიკური მაგნიტური მგრძნობელობა შემცირდა 127∙10-8-დან 3,9∙10-8 მ3/კგ-მდე. ყველა ნიმუშის სპეციფიური ზედაპირის ფართობი გაიზარდა თითქმის 40%-ით. მოდიფიცირებულ CNT-ებს შორის, მინიმალური ელექტრული წინაღობა (574∙10-6 Ohm∙m) დაფიქსირდა No1 ნიმუშისთვის, რომელიც ახლოსაა კერამიკული გრაფიტის წინააღმდეგობასთან (33∙10-6 Ohm∙m). სპეციფიკური წინააღმდეგობის თვალსაზრისით, CNT-ების ნიმუშები "Taunit" და შპს "TMSpetsmash" შედარებადია ნიმუშებთან No. 2, 3 და ამ ნიმუშების სპეციფიკური მაგნიტური მგრძნობელობა უფრო მაღალია, ვიდრე მოდიფიცირებული CNT ნიმუშები (ALIT). -ISM).
CNT-ების ელექტრული წინაღობის ცვალებადობის უნარი 6∙10-4-მდე
12∙10-4 Ohm∙m. შემუშავებულია სპეციფიკაციები მოდიფიცირებული CNT-ების გამოყენებისთვის კომპოზიტური და პოლიკრისტალური მასალების, საიზოლაციო მასალების, შემავსებლების, სუსპენზიების, პასტების და სხვა მსგავსი მასალების წარმოებაში.
TU U 24.1-05417377-231:2011 "მრავალკედლიანი CNT კლასის ნანოფხვნილები MWCNT-A (MWCNT-A),
MUNT-V (MWCNT-B), MUNT-S (MWCNT-C)"
(ცხრილი 2).
როდესაც კომპოზიტები შეჰყავთ პოლიეთილენის ბაზაში მოდიფიცირებული CNT ფხვნილების შემავსებლის სახით, მათი ელექტრული გამტარობის მატებასთან ერთად, იზრდება პოლიმერული კომპოზიტის ელექტრული გამტარობა. ამრიგად, CNT-ების მიმართული მოდიფიკაციის შედეგად, იხსნება მათი მახასიათებლების, კერძოდ, ელექტრული წინაღობის შეცვლის შესაძლებლობა.
ლიტერატურა
1. ტკაჩევი ა.გ., ზოლოთუხინ ი.ვ. მყარი მდგომარეობის ნანოსტრუქტურების სინთეზის აპარატურა და მეთოდები. - M .: Mashinostroenie-1, 2007 წ.
2. ბოგატირევა გ.პ., მარინიჩ მ.ა., ბაზალი გ.ა., ილნიცკაია გ.დ., კოზინა გ.კ., ფროლოვა ლ.ა. ნახშირბადის ნანომილების ფიზიკურ-ქიმიურ თვისებებზე ქიმიური დამუშავების ეფექტის შესწავლა. შატ. სამეცნიერო ტრ. "ფულერენები და ნანოსტრუქტურები შედედებულ მედიაში". / რედ.
P.A. Vityaz. - მინსკი: სახელმწიფო სამეცნიერო დაწესებულება „სითბოსა და მასის გადაცემის ინსტიტუტი
შეცვალეთ ისინი. A.V. Lykov" ბელორუსის მეცნიერებათა ეროვნული აკადემია, 2011, გვ. 141–146.
3. Novak D.S., Berezenko N.M., Shostak T.S., Pakharenko V.O., Bogatyreva G.P., Oleinik N.A., Bazaliy G.A. პოლიეთილენზე დაფუძნებული ელექტროგამტარი ნანოკომპოზიტები. შატ. სამეცნიერო ტრ. „კლდის საჭრელი და ლითონის დამუშავების იარაღები - მისი დამზადებისა და გამოყენების ტექნიკა და ტექნოლოგია“. - კიევი: ISM
მათ. უკრაინის V.N. Bakulya NAS, 2011, ნომერი 14, გვ. 394–398.

ნახშირბადის ფხვნილი მასალები (გრაფიტი, ნახშირი, ჭვარტლი, CNTs, გრაფენი) ფართოდ გამოიყენება, როგორც სხვადასხვა მასალის ფუნქციური შემავსებელი, ხოლო ნახშირბადის შემავსებლების კომპოზიტების ელექტრული თვისებები განისაზღვრება ნახშირბადის სტრუქტურით და თვისებებით და წარმოების ტექნოლოგიით. CNT-ები არის ნახშირბადის ალოტროპული ფორმის ჩარჩო სტრუქტურების ფხვნილი მასალა ღრუ მრავალკედლიანი CNT-ების სახით 10-დან 100 ნმ-მდე გარე დიამეტრით (ნახ.1a,b). ცნობილია, რომ CNT-ების ელექტრული წინაღობა (ρ, Ohm∙m) დამოკიდებულია მათი სინთეზისა და გაწმენდის მეთოდზე და შეიძლება მერყეობდეს 5∙10-8-დან 0,008 Ohm∙m-მდე, რაც რიგითობით დაბალია ვიდრე გრაფიტისა.
ნახ.1. ა) – CNT-ების ფხვნილი, ბ) – CNT-ების ფრაგმენტი (Power Electronic Microscopy)
გამტარი კომპოზიტების წარმოებისას დიელექტრიკებს ემატება მაღალი გამტარი მასალები (ლითონის ფხვნილები, ტექნიკური ნახშირბადი, გრაფიტი, ნახშირბადი და ლითონის ბოჭკოები). ეს საშუალებას იძლევა შეიცვალოს პოლიმერული კომპოზიტების გამტარობა და დიელექტრიკული თვისებები.
წინამდებარე გამოკვლევა ჩატარდა CNT-ების სპეციფიკური ელექტრული წინააღმდეგობის შეცვლის შესაძლებლობის დასადგენად მათი მოდიფიკაციის გზით. ეს გააფართოვებს ასეთი მილების გამოყენებას, როგორც პოლიმერული კომპოზიტების შემავსებელი დაგეგმილი ელექტროგამტარობით. გამოძიებამ გამოიყენა CNT-ების საწყისი ფხვნილების ნიმუშები, დამზადებული ALIT-ISM (ჟიტომირი, კიევი) და CNTs ფხვნილები, რომლებიც ექვემდებარებოდა სხვადასხვა ქიმიურ მოდიფიკაციას. ნახშირბადის მასალების ელექტროფიზიკური მახასიათებლების შესადარებლად CNT-ების ნიმუშები "Taunit" (ტამბოვი, რუსეთი) სინთეზირებულია 2166-001-02069289-2007, შპს "TMSpetsmash" (კიევი), დამზადებულია 24.1-03291669-009:20 CNT-ის მიხედვით ALIT-ISM-ის და Taunit-ის მიერ დამზადებული CVD მეთოდით სინთეზირებულია NiO/MgO კატალიზატორზე და გამოყენებული იქნა შპს „TMSpetsmash“-ის CNT-ები – FeO/NiO კატალიზატორზე (ნახ. 2).
სურ.2 a - CNT (ALIT-ISM), b - CNT "TMSpetsmash" (PEM-images).
ISM-ში შემუშავებული იგივე მეთოდებით ერთსა და იმავე პირობებში გამოკვლევებმა განსაზღვრა ნახშირბადის მასალების ნიმუშების ელექტრული ფიზიკური მახასიათებლები. ნიმუშების სპეციფიური ელექტრული წინააღმდეგობა გამოითვალა 50 კგ წნევის ქვეშ დაჭერილი მშრალი ფხვნილის ელემენტის დენის ძაბვის მახასიათებლის განსაზღვრით. (ცხრილი 1).
CNT-ების მოდიფიკაციამ (No.1-4) აჩვენა მათი ელექტრული თვისებების პოპულარულად შეცვლის შესაძლებლობა ფიზიკური და ქიმიური ეფექტების დახმარებით. კერძოდ, საწყისი ნიმუშის სპეციფიკური ელექტრული წინაღობა შემცირდა 1,5-ჯერ (No1) და No. 2 – 4 გაიზარდა 1,5-3-ჯერ.
ამ შემთხვევაში მინარევების ჯამური რაოდენობა (მათი არაწვის ნარჩენების სახით) შემცირდა 2.21%-დან (საწყისი CNTs) 1.8%-მდე No1-ისთვის და 0.5%-მდე No3-ისთვის. შეკვეთით შემცირდა ნიმუშების მაგნიტური მგრძნობელობა No2 – 4. ყველა ნიმუშის სპეციფიური ზედაპირის ფართობი გაიზარდა თითქმის 40%-ით. მოდიფიცირებულ CNT-ებს შორის მინიმალური სპეციფიური ელექტრული წინააღმდეგობა (574∙10-6 Ohm∙m) ფიქსირდება No1 ნიმუშისთვის, რომელიც ახლოსაა კერამიკული გრაფიტის ასეთ წინააღმდეგობასთან (337∙10-6 Ohm∙m). სპეციფიკური წინააღმდეგობის მიხედვით CNT-ების "Taunit" და "TMSpetsmash" ნიმუშები შეიძლება შევადაროთ ნიმუშებს No2 და No3 და ამ ნიმუშების მაგნიტური მგრძნობელობა რიგითობით უფრო მაღალია, ვიდრე შეცვლილი CNT-ის ნიმუშები ("Alit" -ISM").
ამრიგად, დასახელდა CNT-ების მოდიფიცირების შესაძლებლობა CNT-ების სპეციფიკური ელექტრული წინაღობის მნიშვნელობის შესაცვლელად 6∙10-4÷12∙10-4Ohm∙m დიაპაზონში. შემუშავებულია სპეციფიკაციები 24.1-05417377-231:2011 "MWCNTs-A, MWCNTs-B, MWCNTs-C კლასების მრავალკედლიანი CNT-ების ნანოფხვნილები კომპოზიციური და პოლიკრისტალური შემავსებლების, საპენსიო მასალების წარმოებისთვის, შეცვლილი CNT-ებისთვის. , პასტები და სხვა მსგავსი მასალები.
კომპოზიციების პოლიეთილენის ბაზაში შეყვანისას, როგორც ახალი კლასის CNT-ების მოდიფიცირებული ფხვნილების შემავსებელი, CNT-ების ელექტრული გამტარობის გაზრდით, იზრდება პოლიმერული კომპოზიტის ელექტრული გამტარობა. ამრიგად, CNT-ების მიმართული მოდიფიკაციის შედეგად, ახალი შესაძლებლობები ჩნდება მათი მახასიათებლების, კერძოდ, ელექტრული წინაღობის მნიშვნელობის შეცვლისთვის.
ლიტერატურა

როგორც ცნობილია, ნახშირბადის ნანომილები (CNTs), მათი უჩვეულო ფიზიკოქიმიური თვისებების გამო, ძალიან პერსპექტიულია სხვადასხვა გამოყენებისთვის. ეს ახალი მასალა ეფექტური აღმოჩნდა, როგორც ცივი ელექტრონის ემისიის წყარო, როგორც ახალი მასალების საფუძველი გაუმჯობესებული მექანიკური მახასიათებლებით, როგორც სორბენტი აირისებრი და თხევადი ნივთიერებებისთვის და ა.შ. თუმცა, აქამდე CNT-ებზე დაფუძნებული ახალი მასალები და მოწყობილობები ფართოდ არ გამოიყენება, რაც დაკავშირებულია მაკროსკოპული რაოდენობით CNT-ების მიღების არსებული მეთოდების მაღალ ღირებულებასთან და დაბალ პროდუქტიულობასთან. ეს მეთოდები, რომლებიც დაფუძნებულია გრაფიტის თერმული აორთქლების ზედაპირულ პროცედურებზე ან ლითონის კატალიზატორის ზედაპირზე ნახშირბადის შემცველი ნაერთების ორთქლის დეპონირებისთვის, ხასიათდება შეზღუდული პროდუქტიულობით, რაც პროპორციულია აქტიური ზედაპირის ფართობზე. CNT სინთეზის პროდუქტიულობის მნიშვნელოვანი ზრდა შეიძლება მიღწეული იქნას ნაყარი სინთეზზე გადასვლის გამო. ამ შემთხვევაში, სინთეზის პროცესის პროდუქტიულობა პროპორციულია არა ზედაპირის, არამედ რეაქციის კამერის მოცულობისა და შეიძლება მნიშვნელოვნად აღემატებოდეს CNT სინთეზის ტრადიციული მეთოდებისთვის დამახასიათებელ მნიშვნელობას. ასეთი გადასვლა ახლახანს განხორციელდა კანადის ერთ-ერთი უნივერსიტეტის თანამშრომლების ჯგუფმა (Université de Sherbrooke), რომლებმაც გამოიყენეს მაღალი სიხშირის პლაზმური ჩირაღდნის თერმული პლაზმა წვრილად გაფანტული ნახშირბადისგან CNT-ების მაკროსკოპული რაოდენობის მისაღებად.

დაწესებულება არის კომერციულად ხელმისაწვდომი ინდუქციური ტიპის პლაზმური ჩირაღდანი, რომელიც იკვებება 60 კვტ ალტერნატიული დენის წყაროთი, რომელიც მუშაობს 3 MHz სიხშირეზე. პლაზმური ჩირაღდანი მოიცავს: პლაზმურ კამერას შიდა დიამეტრით 5 სმ, რეაქტორს 50 სმ სიგრძით და შიდა დიამეტრით 15 სმ, სწრაფი გაგრილების კამერა, რომელიც შედგება ორი ორკედლიანი ცილინდრული სეგმენტისგან 20 და სიგრძით. 30 სმ და შიდა დიამეტრი 15 სმ. სამი დამოუკიდებელი გაზის ნაკადი იკვებება პლაზმური ჩირაღდნის მიდამოში - ღერძული, პერიფერიული და გადამზიდავი ფხვნილი. პირველ ნაკადს ეძლევა ბრუნვითი მოძრაობა, რომელიც უზრუნველყოფს პლაზმური ჩირაღდნის სტაბილიზაციას, ხოლო მეორე, ლამინარული, ემსახურება რეაქტორის კედლების დაცვას ცხელი აირისგან. ფილტრაციის სისტემას, რომელიც ემსახურება CNT-ების შემცველი მასალის გამოყოფას აქროლადი კომპონენტებისგან, აქვს სამი ფილტრის ელემენტი დიამეტრით 6 სმ და სიგრძით 85 სმ, ფოროვანი კერამიკის საფუძველზე, ფორების დიამეტრით 2,8 მკმ. გამოყენებული კატალიზატორი იყო Ni ნაწილაკები ზომით< 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 et al. ჯ ფიზ. D: 40, 2375 (2007).

თუმცა, ამ დრომდე CNT-ებზე დაფუძნებული ახალი მასალები და მოწყობილობები ფართოდ არ გამოიყენება, რაც დაკავშირებულია მაკროსკოპული რაოდენობით CNT-ების მიღების არსებული მეთოდების მაღალ ღირებულებასთან და დაბალ პროდუქტიულობასთან. ეს მეთოდები, რომლებიც დაფუძნებულია გრაფიტის თერმული აორთქლების ზედაპირულ პროცედურებზე ან ლითონის კატალიზატორის ზედაპირზე ნახშირბადის შემცველი ნაერთების ორთქლის დეპონირებისთვის, ხასიათდება შეზღუდული პროდუქტიულობით, რაც პროპორციულია აქტიური ზედაპირის ფართობზე.

CNT სინთეზის პროდუქტიულობის მნიშვნელოვანი ზრდა შეიძლება მიღწეული იქნას ნაყარი სინთეზზე გადასვლის გამო. ამ შემთხვევაში, სინთეზის პროცესის პროდუქტიულობა პროპორციულია არა ზედაპირის, არამედ რეაქციის კამერის მოცულობისა და შეიძლება მნიშვნელოვნად აღემატებოდეს CNT სინთეზის ჩვეულებრივი მეთოდებისთვის დამახასიათებელ მნიშვნელობას. ასეთი გადასვლა ახლახანს განხორციელდა კანადის ერთ-ერთი უნივერსიტეტის თანამშრომლების ჯგუფმა (Université de Sherbrooke), რომლებმაც გამოიყენეს მაღალი სიხშირის პლაზმური ჩირაღდნის თერმული პლაზმა წვრილად გაფანტული ნახშირბადისგან CNT-ების მაკროსკოპული რაოდენობის მისაღებად.

პლაზმაში წვრილად გაფანტული ნახშირბადისგან CNT-ების წარმოების ინსტალაციის სქემა

სამი დამოუკიდებელი გაზის ნაკადი იკვებება პლაზმური ჩირაღდნის ზონაში - ღერძული, პერიფერიული და გადამზიდავი ფხვნილი. პირველ ნაკადს ეძლევა ბრუნვითი მოძრაობა, რომელიც უზრუნველყოფს პლაზმური ჩირაღდნის სტაბილიზაციას, ხოლო მეორე, ლამინარული, ემსახურება რეაქტორის კედლების დაცვას ცხელი აირისგან. ფილტრაციის სისტემას, რომელიც ემსახურება CNT-ების შემცველი მასალის გამოყოფას აქროლადი კომპონენტებისგან, აქვს სამი ფილტრის ელემენტი დიამეტრით 6 სმ და სიგრძით 85 სმ, ფოროვანი კერამიკის საფუძველზე, ფორების დიამეტრით 2,8 მკმ.

გამოყენებული კატალიზატორი იყო Ni ნაწილაკები ზომით< 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.

თერმოგრავიმეტრიითა და რამანის სპექტროსკოპიით ჩატარებულმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ოპტიმალურ პირობებში, ფხვნილის სინთეზის პროდუქტიულობა, რომელიც შეიცავს 40%-მდე ერთკედლიანი CNT-ებს, აღწევს 100 გ/სთ-ს. ამ შემთხვევაში, ოპტიმალური პირობები შეესაბამება სუფთა ჰელიუმს, ნახშირბადის ნაწილაკებს 75 ნმ ზომისა და მათი კვების სიჩქარეს 1,5–2 გ/წთ. მოცემული ინდიკატორები შესამჩნევად აღემატება CNT სინთეზის ელექტრული რკალის და ლაზერული მეთოდების გამოყენებით მიღწეულ შედეგებს, ხოლო ნანომილები ხარისხში მხოლოდ ოდნავ ჩამოუვარდება ლაზერული მეთოდით სინთეზირებულებს. უნდა აღინიშნოს, რომ წვრილად გაფანტული ნახშირბადი გაცილებით იაფია, ვიდრე კრისტალური გრაფიტი, ამიტომ პლაზმაში ფხვნილისგან მიღებული ნანომილები გაცილებით იაფია.

ანოტაცია

რეაქტორის პოლიეთილენის პოლიმერული ბოჭკო

ჩვენ შევიმუშავეთ მეთოდი გელით დაწნული კომპოზიციური ბოჭკოებისთვის, რომელიც დაფუძნებულია ულტრამაღალმოლეკულური წონის პოლიეთილენზე (UHMWPE), მოდიფიცირებული ნახშირბადის ნანომილებით (CNTs). UHMWPE რეაქტორის ფხვნილი გამოიყენებოდა როგორც მატრიცა. გამკვრივების ფაზად აირჩიეს მრავალკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები. ბოჭკოების ნიმუშები მიღებულ იქნა გელის დაწნვით UHMWPE ხსნარიდან შემდგომი ორიენტაციის გაჭიმვით.

სადისერტაციო სამუშაოს ფარგლებში განხორციელდა სხვადასხვა კლასის საწყისი UHMWPE რეაქტორის ფხვნილების შესწავლა ელექტრონული მიკროსკოპის, რენტგენის ფაზის ანალიზისა და დიფერენციალური სკანირების კალორიმეტრიის მეთოდით. UHMWPE-ზე დაფუძნებული გელების მიღებულ ნიმუშებზე შესწავლილი იქნა გამხსნელის გავლენა პოლიმერის თერმულ თვისებებზე. მიღებული ბოჭკოების ნიმუშები გამოყენებული იქნა მასალის ფიზიკური და მექანიკური თვისებების შესასწავლად. ჩატარდა UHMWPE-ზე დაფუძნებული ბოჭკოების სტრუქტურისა და თვისებების ცვლილებაზე CNT-ების დანერგვის ეფექტის შედარებითი ანალიზი.

საბოლოო შესარჩევი ნაშრომი წარმოდგენილია 106 გვერდზე, შეიცავს 18 ცხრილს, 47 ფიგურას და გამოყენებული წყაროების ჩამონათვალს 49 სათაურიდან.

შესავალი

1.2.1 UHMWPE-ის სტრუქტურა
1.2.2 UHMWPE-ის თვისებები
1.2.3 UHMWPE-ს მიღება

1.3 ლარი სახელმწიფო UHMWPE
1.4 UHMWPE გელის ძაფის სიმტკიცის მახასიათებლების ცვლილება ორიენტაციის ნახაზის დროს
1.6 UHMWPE და CNT-ზე დაფუძნებული ნიმუშების შესწავლის მეთოდები

1.6.1 კვლევის რენტგენის მეთოდები
1.6.2 დიფერენციალური სკანირების კალორიმეტრია (DSC)
1.6.3 სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპია
1.6.4 ინფრაწითელი სპექტროსკოპია
1.6.5 ბრუნვის ვისკომეტრია
1.6.6 ბოჭკოების სპეციფიკური სიმტკიცის თვისებების განსაზღვრის მეთოდები

2. კვლევის ობიექტები და მეთოდები

2.1 ნედლეული
2.2 UHMWPE-ზე დაფუძნებული კომპოზიციური ბოჭკოების მიღება გელის დაწნვით

2.2.1 გელების მომზადება UHMWPE და CNT-ზე დაფუძნებული
2.2.2 დაწნული UHMWPE და CNT დაფუძნებული გელის ძაფები
2.2.3 UHMWPE და CNT-ზე დაფუძნებული კომპოზიციური ბოჭკოების წარმოების პროცესი

2.3 მიღებული მასალების შესწავლის ხერხები

2.3.1 დიფერენციალური სკანირების კალორიმეტრია
2.3.2 სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპია
2.3.3 ინფრაწითელი სპექტროსკოპია
2.3.4 რენტგენის ფაზის ანალიზი
2.3.5 სიძლიერის მახასიათებლების შესწავლის მეთოდი

3. შედეგები და დისკუსია

3.1 UHMWPE რეაქტორის ფხვნილების შესწავლა
3.2 გელების, ქსეროგელების და ბოჭკოების თერმული თვისებების ანალიზი UHMWPE-ზე დაფუძნებული
3.3 სტრუქტურის ორიენტაციის გავლენა UHMWPE-ზე დაფუძნებული გელის ძაფების თვისებებზე და სტრუქტურაზე
3.4 UHMWPE-ზე დაფუძნებული კომპოზიციური ბოჭკოების სიმტკიცის მახასიათებლების ანალიზი

4. სიცოცხლის უსაფრთხოება

4.1 ნაშრომის ექსპერიმენტული ნაწილის განხორციელებასთან დაკავშირებული პოტენციურად საშიში და მავნე წარმოების ფაქტორების ანალიზი
4.2 მოკლე ფიზიკური და ქიმიური მახასიათებლები, ტოქსიკურობა, ხანძარსაწინააღმდეგო და აფეთქების საშიშროება მასალებისა და ნივთიერებების, რომლებიც გამოიყენება და წარმოიქმნება კვლევაში
4.3 ლაბორატორიის ოთახის სანიტარიულ-ჰიგიენური და ხანძარსაწინააღმდეგო მახასიათებლები

4.3.1 მოთხოვნები შენობის განლაგების შესახებ
4.3.2 მოთხოვნები შიდა კლიმატისთვის
4.3.3 განათების მოთხოვნები ოთახებისთვის

4.4 სახიფათო და მავნე ფაქტორებისგან დაცვის ღონისძიებების შემუშავება

4.4.1 დისტანციური მარყუჟის დამიწების პარამეტრების გაანგარიშება

4.5 სიცოცხლის უსაფრთხოება საგანგებო სიტუაციებში
4.6 გარემოს დაცვა
4.7 დასკვნები სექციებზე "სიცოცხლის უსაფრთხოება" და "გარემოს დაცვა"

5. ეკონომიკა და კვლევითი სამუშაოების ორგანიზაცია

5.1 ტექნიკურ-ეკონომიკური შესწავლა R&D
5.2 კვლევისა და განვითარების გეგმა
5.3 R&D ხარჯების გაანგარიშება

5.3.1 ძირითადი მასალების ღირებულების გაანგარიშება
5.3.2 დამხმარე მასალების ღირებულების გაანგარიშება
5.3.3 სახელფასო ხარჯების გაანგარიშება
5.3.4 ზედნადების გაანგარიშება
5.3.5 ელექტროენერგიის ხარჯების გაანგარიშება
5.3.6 ამორტიზაციის გაანგარიშება

5.4 R&D ხარჯთაღრიცხვა
5.5 კვლევისა და განვითარების ტექნიკური და ეკონომიკური ეფექტი
5.6 დასკვნები ეკონომიკურ ნაწილზე

დასკვნა
ბიბლიოგრაფია

შესავალი

გასული ათწლეულების განმავლობაში, მასალების მრავალი მეცნიერი მთელს მსოფლიოში იბრძოდა მძიმე სინთეზური ბოჭკოების მისაღებად. ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი კრიტერიუმი, რომელიც უპირატესობას ანიჭებს, არის ჩვეულებრივი იაფი მასალების გამოყენება. ამიტომ დიდ ინტერესს იპყრობს დაბალი წნევის პოლიეთილენი, რომელსაც აქვს დიდი მოლეკულური წონა. ეს მასალა იწარმოება დიდი მოცულობით და არის კარგად შესწავლილი პოლიმერი. მისგან ძაფები დადებითად ადარებს სხვა პოლიმერულ ბოჭკოებს, რადგან მათ აქვთ თვისებების უნიკალური კომბინაცია, როგორიცაა მაღალი სიმტკიცე, სიმტკიცე, ტენის შთანთქმის ნაკლებობა, დაბალი სიმკვრივე, მაღალი ქიმიური წინააღმდეგობა და დარტყმის ძალა.

ამ დროისთვის, ასეთი პოლიმერული ბოჭკოების მოპოვების ყველაზე გავრცელებული მეთოდია გელ-სპინინგის მეთოდი შემდგომი ბოჭკოვანი ნახაზით. მეთოდი ჯერ კიდევ 70-იან წლებში შეიმუშავეს ჰოლანდიელმა მკვლევარებმა პენინგმა, ლემსტროიმ და სმიტმა. ამ მეთოდის გამოყენებით ნიდერლანდებში, აშშ და იაპონია უკვე აწარმოებენ ბოჭკოებს ულტრამაღალმოლეკულური წონის პოლიეთილენისგან (UHMWPE). რუსეთში ამ მიმართულებით ინტენსიური კვლევები მიმდინარეობს ისეთ სპეციალიზირებულ ინსტიტუტებში, როგორიცაა მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის სინთეტიკური ბოჭკოების სრულიად რუსული სამეცნიერო კვლევითი ინსტიტუტი. მ.ვ. ლომონოსოვი, ეროვნული კვლევითი ტექნოლოგიური უნივერსიტეტი "MISiS".

UHMWPE ბოჭკოების ნაკლოვანებებს შორისაა მაღალი ცოცხალი დატვირთვის ქვეშ და დაბალი ათვლის მოდული. ბოჭკოვანი პოლიმერული მატრიცის გამაგრება ნახშირბადის ნანომილებით, შევსების მცირე ხარისხით, მნიშვნელოვნად შეამცირებს ბოჭკოს ცოცვას დატვირთვის ქვეშ. პოლიმერის ორიენტირება გამოიწვევს შემავსებლის გარკვეულ ორიენტაციას, რაც გამოიწვევს ანიზოტროპულ თვისებას და ორიენტაციის მიმართულების ზრდას.

UHMWPE-ზე დაფუძნებული კომპოზიციური ბოჭკოები, მათი თვისებების გამო, მოთხოვნადია მოხმარების სხვადასხვა სფეროში: სამხედრო მრეწველობა, ტვირთის გადაზიდვის აღჭურვილობა (თოკები, კაბელები, სლანგები), სათევზაო ბადეები და ხელსაწყოები, მასალები აგრესიულ გარემოში და გარემოში მუშაობისთვის. ულტრა დაბალი ტემპერატურით.

ამრიგად, ყოველივე ზემოთქმული საშუალებას გვაძლევს დავასკვნათ, რომ ამ ტიპის ბოჭკოების მოპოვების მეთოდის შემუშავება და მათი ფიზიკოქიმიური თვისებების შესწავლა გადაუდებელი და გონივრული ამოცანაა.

1. ლიტერატურის ანალიტიკური მიმოხილვა

1.1 ტერმინის კონცეფცია "მაღალი სიმტკიცის პოლიმერული ბოჭკოები"

კვლევის მთავარი საგანია კომპოზიტური მაღალი სიმტკიცის (HP) ბოჭკოები, რომელიც დაფუძნებულია ულტრამაღალმოლეკულური წონის პოლიეთილენზე (UHMWPE), მოდიფიცირებული ნახშირბადის ნანომილებით (CNT) ფიზიკური და მექანიკური თვისებების გასაუმჯობესებლად. ეს ბოჭკოები მიიღება პოლიმერული ხსნარიდან გელის დაწნვით დაწნვით.

პირველად ჩნდება იდეა, რომ ადამიანს შეუძლია შექმნას ბუნებრივი აბრეშუმის მიღების პროცესის მსგავსი პროცესი, რომლის დროსაც აბრეშუმის ჭიის ქიაყელის სხეულში წარმოიქმნება ბლანტი სითხე, რომელიც ჰაერში გამკვრივდება და ქმნის თხელ, ძლიერ ძაფს. გამოთქვა ფრანგმა მეცნიერმა რ.რომურმა ჯერ კიდევ 1734 წელს.

მსოფლიოში პირველი ქიმიური (ხელოვნური) ბოჭკოს წარმოება მოეწყო საფრანგეთში, ქალაქ ბეზანსონში 1890 წელს და ეფუძნებოდა ცელულოზის ეთერის ხსნარის დამუშავებას.

1990-იანი წლებიდან დღემდე, ქიმიური ბოჭკოების წარმოების განვითარების თანამედროვე ეტაპი, მოდიფიკაციის ახალი მეთოდების გაჩენა, დიდი ტონაჟის ბოჭკოების ახალი ტიპების შექმნა: "მომავლის ბოჭკოები" ან " მეოთხე თაობის ბოჭკოები“. მათ შორისაა ახალი ბოჭკოები, რომლებიც დაფუძნებულია გამრავლებად მცენარეულ მასალებზე (ლიოცელი, პოლილაქტიდი), ბიოქიმიური სინთეზით მიღებული ახალი მონომერები და პოლიმერები და მათზე დაფუძნებული ბოჭკოები. მიმდინარეობს კვლევა გენეტიკური ინჟინერიისა და ბიომიმეტიკის მეთოდებზე დაფუძნებული პოლიმერებისა და ბოჭკოების წარმოების ახალი პრინციპების გამოყენების შესახებ.

ქიმიური ბოჭკოების საუკუნეზე მეტი ხნის ისტორიის მანძილზე, მათი პრაქტიკული მნიშვნელობა ადამიანების სიცოცხლის უზრუნველსაყოფად აუცილებელი მასალებისა და პროდუქტების წარმოებისთვის, ტექნოლოგიებისა და მეცნიერების განვითარებისთვის, უდაო გახდა. ეს არის ტანსაცმელი და საყოფაცხოვრებო ნივთები, სპორტული და სამედიცინო პროდუქტები, ისევე როგორც ბევრი სხვა რამ, რაც შედის მნიშვნელოვანი და ყოველდღიური ნივთების წრეში. ტექნოლოგიის, ტრანსპორტის, მშენებლობის შემდგომი განვითარება შეუძლებელია ბოჭკოვანი კომპოზიციური მასალების გამოყენების გარეშე.

ქიმიურ ბოჭკოებს შორის, რომლებიც გამოიყენება ბოჭკოვანი მასალების მისაღებად საყოფაცხოვრებო, ტექნიკური, ჰიგიენური, სამედიცინო და სხვა მიზნებისთვის, შეიძლება გამოიყოს რამდენიმე ჯგუფი:

ზოგადი დანიშნულების ბოჭკოები და ძაფები, აგრეთვე მათი მოდიფიკაციები; - ელასტომერული ძაფები; - მაღალი სიმტკიცის ძაფები, ფიბრილაციის შედეგად მიღებული ძაფების ჩათვლით; - მძიმე მოდულის ძაფები; - სპეციფიკური ფიზიკური, ფიზიკურ-ქიმიური და ქიმიური თვისებების მქონე ბოჭკოები და ძაფები; - უქსოვი მეთოდით მიღებული ძაფები, პირდაპირი დნობის ტრიალი.

ბოჭკოების ყველა ზემოაღნიშნული სახეობა ეხება მაღალი ტონაჟის პროდუქტებს, გარდა სპეციფიკური თვისებების მქონე ბოჭკოებისა.

მხოლოდ კონკრეტული თვისებების მქონე ბოჭკოების შექმნა ჩვენი დროის პერსპექტიული მიმართულებაა. ახალი სინთეზური პოლიმერული ბოჭკოები - მესამე თაობის ბოჭკოები. ამ ტიპის ბოჭკოს კვლევა მე-20 საუკუნის ბოლოს დაიწყო და დღემდე გრძელდება. შედეგად მიღებული მესამე თაობის ბოჭკოები, მათი თვისებებიდან გამომდინარე, გამოიყენება როგორც ტრადიციულ, ასევე ახალ სფეროებში (აერონავტიკა, ავტომობილები, ტრანსპორტის სხვა რეჟიმები, მედიცინა, სპორტი, ჯარი, მშენებლობა). გამოყენების ეს სფეროები აწესებს გაზრდილ მოთხოვნებს ფიზიკურ და მექანიკურ თვისებებზე, თერმული, ხანძრის, ბიო, ქიმიური და რადიაციული წინააღმდეგობის მიმართ. სხვადასხვა აპლიკაციები, სადაც 3G ბოჭკოები მოთხოვნადია, ნაჩვენებია სურათზე 1.

სურათი 1 - მესამე თაობის ბოჭკოების გამოყენების ძირითადი სფეროები

ბოჭკოების ქიმიას, ფიზიკასა და მათ თვისებებს შორის ურთიერთობის, მიზეზ-შედეგობრივი კავშირის დამყარება საფუძვლად უდევს მე-3 თაობის ბოჭკოების შექმნას წინასწარ განსაზღვრული თვისებებით და, უპირველეს ყოვლისა, მაღალი ჭიმვის გამძლეობით, აცვიათ წინააღმდეგობით, მოხრილობით, წნევა, ელასტიურობა, სითბო. და ცეცხლგამძლეობა.

მაღალი სიმტკიცის მაჩვენებლები მიიღწევა არა მხოლოდ ბოჭკოვანი ფორმირების პოლიმერების პოლიმერული ჯაჭვების სპეციფიკური ქიმიური სტრუქტურის გამო (არომატული პოლიამიდები, პოლიბენზოქსაზოლები და ა. ), მაღალი მოლეკულური წონის გამო (მოლეკულური ბმების მაღალი ჯამური ენერგია), როგორც ახალი ტიპის პოლიეთილენის ბოჭკოების შემთხვევაში.

1.2 ულტრამაღალმოლეკულური წონის პოლიეთილენი, როგორც საწყისი მასალა მაღალი სიმტკიცის ბოჭკოების მისაღებად

დაბალი წნევის პოლიეთილენს (PE) (HDPE), რომლის მოლეკულური წონაა 1-106 გ/მოლი და მეტი, ეწოდება ულტრამაღალმოლეკულური წონის პოლიეთილენს (UHMWPE). ასეთ PE-ს აქვს უფრო მაღალი ფიზიკური, მექანიკური და ქიმიური თვისებები, ვიდრე სტანდარტული HDPE კლასები, აცვიათ წინააღმდეგობა, მდგრადობა გატეხვისა და ზემოქმედების დატვირთვის მიმართ, ხახუნის დაბალი კოეფიციენტი, აგრეთვე თვისებების შენარჩუნების უნარი ფართო ტემპერატურის დიაპაზონში: მინუს 200-დან პლუს 100-მდე. ° C დნობის წერტილის ზემოთ გაცხელებისას, UHMWPE არ გადადის ბლანტი სითხეში, რაც დამახასიათებელია თერმოპლასტიკისთვის, მაგრამ მხოლოდ ძლიერ ელასტიურ მდგომარეობაში. დნობის წერტილის ზემოთ გაცხელებისას UHMWPE არ გადადის ბლანტიან მდგომარეობაში, რაც დამახასიათებელია თერმოპლასტიკისთვის, მაგრამ მხოლოდ მაღალ ელასტიურ მდგომარეობაშია.

აცვიათ წინააღმდეგობის თვალსაზრისით, UHMWPE აჭარბებს ყველა არსებულ თერმოპლასტიკას. UHMWPE, მრავალი სხვა პოლიმერისგან განსხვავებით, აქვს თვითშეზეთვის ეფექტი. ხახუნის განყოფილებაში მუშაობისას UHMWPE აყალიბებს გადამცემ ფილას კოლეგაზე (კონტრ-სხეულზე), რომელიც მოქმედებს როგორც საპოხი, რომლის წყალობითაც პოლიმერს შეუძლია იმუშაოს მშრალ ხახუნის პირობებში, რაც უზრუნველყოფს დანადგარის გლუვ და ჩუმ მუშაობას.

მაღალი მოლეკულური წონის PE-ს სინთეზი შესაძლებელი ხდება ორგანული მეტალის Ziegler-Natta კატალიზატორების გამოყენებით. PE ჯაჭვის ზრდის რეაქცია Ziegler-Natta კატალიზატორებზე მოიცავს ორ ძირითად ეტაპს - მონომერის კოორდინაციას აქტიური ზრდის ადგილებთან და მის ჩასმა Me-C ბმაში.

1.2.1 UHMWPE-ის სტრუქტურა

UHMWPE მოლეკულებს აქვთ დიდი ხაზოვანი ზომები და მცირე რაოდენობის ტოტები ან ორმაგი ბმები, რაც მასზე დაფუძნებულ მასალას აძლევს მშრალ ხახუნის პირობებში, აგრესიულ გარემოში მუშაობის უნარს.

მეორე მხრივ, დიდი სიგრძის გამო იზრდება პოლიმერული ჯაჭვების ჩახლართულობაც, რაც ამცირებს კრისტალიზაციის უნარს. ჭეშმარიტი კრისტალური წარმონაქმნები შეესაბამება კრისტალებს ორთორმბული და მონოკლინიკური უჯრედებით. ასევე შეიმჩნევა ეგრეთ წოდებული ფსევდოგონალური უჯრედები, რომლებიც ეხება პოლიმერული შეკვეთის შუალედურ ფორმას. ასეთი შუალედური მდგომარეობა არ არის ანომალიური და შეინიშნება ბევრ სხვა მოქნილი ჯაჭვის მაკრომოლეკულურ ნაერთში.

მცირე ინფორმაციაა UHMWPE-ის არაკრისტალური კომპონენტის სტრუქტურის შესახებ, რომლის ფრაქციამ შეიძლება მიაღწიოს 50%-ს. ნაშრომში აღწერილი არაერთი მონაცემი მიუთითებს, რომ პოლიმერის უწესრიგო (ამორფული) რეგიონები, რომლებიც ჩაკეტილია მიმდებარე კრისტალიტებს შორის დაკეცილ ჯაჭვებზე, მოიცავს პოლიმერული ჯაჭვების მკვეთრ რეგულარულ ნაკეცებს კრისტალიტების ბოლოების მიმდებარედ, ისევე როგორც გრძელი არარეგულარული მარყუჟები და ბოლოები. მაკრომოლეკულები.

დიდი რაოდენობით, ასევე არსებობს ე.წ. ვარაუდობენ, რომ ამორფულ რეგიონებში ჯაჭვები ასევე ინარჩუნებენ ორმხრივ პარალელურობას მცირე დისტანციებზე, თუმცა ამ შემთხვევაში არ არსებობს ჯაჭვის ცენტრების ორგანზომილებიანი გისოსები. მაკრომოლეკულების და ერთეულების განლაგებაში არის მხოლოდ მოკლე დიაპაზონის რიგი.

პოლიეთილენის მოლეკულური წონის (MW) მატებასთან ერთად, გამვლელი ჯაჭვები იწყებენ ჩახლართვას, რის შედეგადაც გარდამავალი კომპონენტის დეფექტი კიდევ უფრო იზრდება.

1.2.2 UHMWPE-ის თვისებები

UHMWPE, შედარება მას ყველა სხვა ტიპის PE-სთან, აქვს უმაღლესი სიმტკიცე, გამძლეობა ზემოქმედებისა და გატეხვის მიმართ. UHMWPE-ის გამორჩეული თვისებაა მისი უნარი შეინარჩუნოს მაღალი სიმტკიცის მახასიათებლები ტემპერატურის ფართო დიაპაზონში (მინუს 120 o C-დან პლუს 100 o C-მდე). ეს გამოწვეულია იმით, რომ დნობისგან PE-ს კრისტალიზაციის დროს, სუპრამოლეკულური სტრუქტურის ყველა ელემენტი ურთიერთდაკავშირებულია მაკრომოლეკულების "მეშვეობით".

გარდა ამისა, პოლიმერში ყოველთვის არის გარკვეული რაოდენობის ფიზიკური კვანძები (მოლეკულური ჩახლართულობა). როგორც წესი, პირველი და მეორე წარმოიქმნება ძირითადად პოლიმერში შემავალი გრძელი მაკრომოლეკულების გამო. საწყისი კრისტალური პოლიმერის გამვლელი მოლეკულები და ფიზიკური კვანძები ასევე შენარჩუნებულია PE გაჭიმვის დროს, რაც აკავშირებს სუპრამოლეკულური სტრუქტურის ელემენტების ცალკეულ მონაკვეთებს და განსაზღვრავს მათ სიმტკიცეს. მაკრომოლეკულების სიგრძისა და პოლიმერის მაღალმოლეკულური ფრაქციების პროპორციის მატებასთან ერთად, იზრდება ასეთი გამვლელი მოლეკულების და ფიზიკური კვანძების შემცველობა და, შესაბამისად, იზრდება მათ მიერ შეკრული სუპრამოლეკულური სტრუქტურის ელემენტების რაოდენობაც. ეს, თავის მხრივ, იწვევს UHMWPE-ის სიმტკიცის, ზემოქმედების წინააღმდეგობისა და დაბზარვის წინააღმდეგობის გაზრდას. დაბალ ტემპერატურაზე მაკრომოლეკულების მობილურობა მცირდება, ხოლო მოლეკულათაშორისი ძალების როლი ზემოაღნიშნული ინდიკატორების გაზრდაში უფრო მეტად იზრდება, რაც უფრო გრძელია მაკრომოლეკულები. თუმცა, მაკრომოლეკულების სიგრძის მატებასთან ერთად, კრისტალიზაცია რთულდება, ხოლო PE-ს კრისტალურობის ხარისხი და კრისტალიტების ზომა მცირდება.

„ჭეშმარიტი სიძლიერის“ განმარტება, ე.ი. გამოითვლება ჯვარი მონაკვეთისთვის ნიმუშის გახეთქვის მომენტში, UHMWPE-სთვის არ იცვლება ტემპერატურის მატებასთან ერთად და არის 28,5 მპა 60-დან 100°C-მდე ტემპერატურაზე. სტანდარტული HDPE-სთვის, ტემპერატურის მატებასთან ერთად მცირდება "ნამდვილი ძალა" და 100°C-ზე არის 15,7 მპა.

ნეგატიურ ტემპერატურაზე, UHMWPE-ს აქვს მნიშვნელოვნად უფრო მაღალი დრეკადობა შესვენებისას, ვიდრე სტანდარტული HDPE. ანუ, UHMWPE არის უფრო მოქნილი პოლიმერი და, შესაბამისად, უფრო ყინვაგამძლე. დადებით ტემპერატურაზე, სურათი იცვლება, UHMWPE ხდება ნაკლებად მოქნილი. UHMWPE-ის აცვიათ წინააღმდეგობა ორჯერ აღემატება სხვა HDPE კლასებს. UHMWPE აქვს მაღალი ზემოქმედების წინააღმდეგობა და პრაქტიკულად არ იშლება -100°C-მდე ტემპერატურაზე. დაბალ ტემპერატურაზე (-180°C-მდე), თუმცა UHMWPE-ის საცდელი ნიმუში განადგურებულია, შენარჩუნებულია დარტყმის სიძლიერის შედარებით მაღალი მნიშვნელობა. ზემოქმედების წინააღმდეგობა იზრდება UHMWPE-ის მოლეკულური წონის მატებასთან ერთად. ამ დამოკიდებულების შესწავლისას ნაჩვენებია, რომ UHMWPE-სთვის შეინიშნება ზემოქმედების სიძლიერის ზრდა (5-10)-106 გ/მოლ მოლეკულურ წონამდე.

მოსავლიანობის სიძლიერე, სიმტკიცე და ელასტიურობის მოდული ოთახის ტემპერატურაზე შეესაბამება UHMWPE-ის სიმკვრივეს და გარკვეულწილად დაბალია ვიდრე სტანდარტული HDPE.

დაჭიმვის დაძაბულობა UHMWPE-ის უკმარისობისას მთელ შესწავლილ ტემპერატურულ დიაპაზონში მნიშვნელოვნად აღემატება სტანდარტულ HDPE-ს.

1.2.3 UHMWPE-ს მიღება

UHMWPE წარმოების პროცესის ტექნიკის დიზაინი და ტექნოლოგიური სქემა ძირეულად არ განსხვავდება სტანდარტული HDPE კლასების წარმოებისთვის. UHMWPE-ის სინთეზის თავისებურებები მდგომარეობს გარკვეულ ტექნოლოგიურ მეთოდებში, რომლებიც უზრუნველყოფენ ეთილენის პოლიმერიზაციის დროს 1–106 გ/მოლ და მეტი მოლეკულური წონის მქონე მაკროჯაჭვების წარმოქმნას. ამიტომ, UHMWPE-ის თითოეული მიმწოდებელი აწარმოებს თავის პროდუქტებს HDPE წარმოების საკუთარი მეთოდის მიხედვით. ასე რომ, კომპანია "Hoechst"-ში (გერმანია) და შიდა წარმოების UHMWPE მიიღება შეჩერების მეთოდით მოდიფიცირებული Ziegler-Natta კატალიზატორების გამოყენებით, ხოლო კომპანია "Phillips" (აშშ) ქრომის ოქსიდის კატალიზატორის გამოყენებით.

ეთილენის პოლიმერიზაციის პროცესი დამხმარე კატალიზატორების თანდასწრებით დიდწილად დამოკიდებულია საყრდენის ქიმიურ ბუნებაზე. ნამუშევარი ადარებს კატალიზატორებს, რომლებიც მიიღება 15 TiCl4 მაგნიუმის ოქსიდსა და ალუმინოსილიკატზე გამოყენებისას. ნაჩვენებია, რომ კატალიზატორის აქტივობა MgO-ზე 40-ჯერ მეტია ვიდრე სუფთა TiCl4-ზე, ხოლო ალუმინოსილიკატურ საყრდენზე მხოლოდ 3-4-ჯერ, თუმცა კატალიზატორის სპეციფიური ზედაპირის ფართობი Al203*aSiO2-ზე არის 6-8. ჯერ მეტი ვიდრე MgO-ზე. ეს გარემოება მიუთითებს იმაზე, რომ საყრდენი არ არის მხოლოდ სუბსტრატი, რომელიც ზრდის ტიტანის კომპონენტის განაწილების ზედაპირს, არამედ მონაწილეობს კატალიზური კომპლექსის მოქმედებაში.

1.2.4 UHMWPE აპლიკაციები

UHMWPE-ის მორფოლოგიური და სტრუქტურული თვისებები, რომელიც განსხვავდება მრავალი სხვა პოლიმერისგან, აქცევს მას შეუცვლელ მასალად ექსპლუატაციაში დაბალ ტემპერატურაზე, -200 ° C-მდე. აბრაზიული წინააღმდეგობა შესაძლებელს ხდის ამ მასალის გამოყენებას მოძრავი და სრიალის საკისრებში.

UHMWPE-ის ამორტიზაციის უნარი და ელასტიური თვისებები შესაძლებელს ხდის მასზე დაფუძნებული მასალების გამოყენებას მექანიკაში, როგორც შუასადებები და ამორტიზატორები.

UHMWPE ფართოდ გამოიყენება ქიმიურ ინდუსტრიაში მრავალი რეაგენტის მიმართ მისი ინერტულობის გამო.

იგი გამოიყენება კონტეინერების და აღჭურვილობის წარმოებაში ქიმიური რეაგენტების ტრანსპორტირებისა და ექსპლუატაციისთვის. UHMWPE ფარავს ნავთობსადენების შიდა ზედაპირს, რათა თავიდან აიცილოს მათი კოროზია და გააუმჯობესოს ნავთობპროდუქტების ნაკადის ხახუნი, რომელიც ატარებს მათ.

UHMWPE გელების საფუძველზე მიიღება მაღალი მოდულის ბოჭკოები, დრეკადობის მაღალი ხარისხით. ამ ტიპის ბოჭკო ფართოდ გამოიყენება სამხედრო საქმეებში, გემთმშენებლობაში, სხვადასხვა სამაგრი და ტვირთის აღჭურვილობაში, ტექსტილის მრეწველობასა და სოფლის მეურნეობაში.

UHMWPE-ზე დაფუძნებული კომპოზიციური მასალების ფართო სპექტრი გამოიყენება როგორც სტრუქტურული მასალები.

ეს მასალები გამოიყენება ავიაციის, კოსმოსური და გემთმშენებლობის ტექნოლოგიებში.

1.3 ლარი სახელმწიფო UHMWPE

UHMWPE გელის მდგომარეობაში მიღება ხდება მისი რეაქტორის ფხვნილის ორგანულ გამხსნელში გახსნით. როდესაც ხსნარი გაცივდება ოთახის ტემპერატურამდე, გელი იწყებს მისგან განცალკევებას, რაც გამხსნელს უბიძგებს მოცულობიდან.

1.3.1 გელის კონცეფცია და ზოგადი იდეები პოლიმერული გელების შესახებ

პოლიმერული გელები არის პოლიკონდენსაციის ან პოლიმერიზაციის (პოლიმერული ქსელები) შედუღებადი და უხსნადი პროდუქტები. დროში, როდესაც რეაქციის ნარევი კარგავს სითხეს მზარდი პოლიმერული ჯაჭვების ჯვარედინი კავშირის გამო, ეწოდება გელის წერტილი ან გელის წერტილი.

გელებს ასევე უწოდებენ ჯვარედინი ხაზოვან პოლიმერებს, რომლებიც შეშუპებულია გამხსნელებში და პოლიმერულ ხსნარებში, რომლებმაც დაკარგეს სითხე, ქიმიური ან წყალბადის ბმებით სტაბილიზებული სივრცითი მოლეკულური ქსელის გამოჩენის გამო, ან ინტერმოლართა ურთიერთქმედების შედეგად.

გარეგანი თვისება, რომელიც განასხვავებს გელს თხევადისაგან, არის მისი ფორმის შენარჩუნების უნარი, რაც პოლიმერულ გელში მიიღწევა გამხსნელში შეღწევის მაკრომოლეკულური ქსელის გამო. სივრცითი ქსელის სიძლიერე და სიმკვრივე განსაზღვრავს არა მხოლოდ თავად გელის, არამედ მისი დამუშავების პროდუქტებს, რომლებიც მოიცავს ბოჭკოებს, ფოროვან მასალებს, გარსებს და სხვადასხვა სორბენტს. პოლიმერული გელების უპირატესობა დნობასა და ხსნარებთან შედარებით მდგომარეობს სამუშაო ნაწილის მასალაში სტაბილური იშვიათი ქსელის შექმნის შესაძლებლობაში.

გელები შეიძლება გამოჩნდეს ცალკეული ფხვიერი ნალექის სახით ან წარმოიქმნას თავდაპირველი თხევადი სისტემის მთელ მოცულობაში მისი ჰომოგენურობის დარღვევის გარეშე. გელებს, რომლებსაც აქვთ წყლის დისპერსიული გარემო, ეწოდება ჰიდროგელებს, ნახშირწყალბადთან ერთად - ორგანოგელებს. გელი შედგება მყარი და თხევადი ფაზებისაგან და წარმოადგენს ნახევრად მყარ სხეულს, ჟელეს. ეს არის მკვრივი და ამავდროულად, არასტაბილური ფორმის მდგომარეობა - სითხე ჟელეწარმომქმნელი ნივთიერება-ჩარჩოით.

ქიმიური ჯვარედინი კავშირების სისტემისგან განსხვავებით, გელი არის სისტემა, რომელიც დაკავშირებულია კრისტალური კვანძებით. ასეთი სისტემა მაკროსკოპული ხასიათისაა და ადვილად იშლება. გელის სუპრამოლეკულური სისტემის დაშლის უნარი მის დაწნულ თვისებებზე მეტყველებს. რაც უფრო ადვილია სისტემის ამოხსნა, მით უფრო ადვილია მისი გარკვეული მიმართულებით ორიენტირება.

გელის ზოგადი სტრუქტურა ნაჩვენებია სურათზე 2. იგი წარმოდგენილია ჩახლართული მაკრომოლეკულების სივრცითი ქსელით. ეს უკანასკნელი, თავის მხრივ, ქმნის ერთმანეთთან ჩართულობის წერტილებს, მარყუჟებს, ასევე დაკიდებულ ბოლოებს.

სურათი 2 - პოლიმერული გელის ჩართულობის სუპრამოლეკულური სივრცითი ქსელის სქემა

მაკრომოლეკულებს შორის ჩართულობის წერტილების ბუნება შეიძლება განსხვავებული იყოს, მაგალითად:

ა) ჯვარედინი რეაქციის შედეგად წარმოქმნილი ქიმიური ბმა. თუ ასეთი ბმები ცოტაა, მაშინ პოლიმერს შეუძლია ადიდდეს შესაბამის გამხსნელში და წარმოქმნას გელი;

ბ) მოლეკულათაშორისი კავშირი, მაგრამ მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ისინი იმდენად ძლიერია, რომ გამხსნელთან პოლიმერის ურთიერთქმედების ენერგია არასაკმარისი იქნება მათი განადგურებისთვის;

გ) პოლიმერულ ხსნარში არსებულ იონებს შორის კავშირი;

დ) კავშირი პოლიმერულ ჯაჭვებსა და ხსნარში შეყვანილი უაღრესად დისპერსიული აქტიური შემავსებლის ნაწილაკებს შორის.

ამჟამად გელის რამდენიმე კლასიფიკაცია არსებობს. მაგალითად, გელები შეიძლება გამოიყოს ტემპერატურის შექცევადობით.

ამ სამუშაოს ფარგლებში შეისწავლება UHMWPE მაკრომოლეკულების შეშუპებისას წარმოქმნილი გელები. ასეთი გელების სივრცითი ბადე - ჩარჩო - შედგება მოლეკულური ჯაჭვების სეგმენტებისგან, რომლებიც მდებარეობს მაკრომოლეკულების მიმაგრების წერტილებს შორის (კვანძი).

1.3.2 UHMWPE-ზე დაფუძნებული ხსნარების თვისებები

UHMWPE ხსნარის ძირითად თვისებად შეიძლება ჩაითვალოს მაკრომოლეკულების ჩახლართული ქსელი. ასეთი ბადე შედგება ორი ტიპის ბმულისგან: სტაბილური და ხანმოკლე. სტრუქტურის ფორმირების პროცესი განსაზღვრავს შედეგად მიღებული სისტემის ფიზიკური და მექანიკური თვისებების მთელ კომპლექსს.

ხსნარში ჩახლართულების რაოდენობა განისაზღვრება პოლიმერის მოცულობითი კონცენტრაციით. თუ ეს კონცენტრაცია კრიტიკულზე ნაკლებია, მაკრომოლეკულების საკოორდინაციო სფეროები არ გადაიფარება და საერთოდ არ იქნება ჩახლართულები.

უფრო მაღალი კონცენტრაციის რეგიონში ხსნარები „სტრუქტურირებულია“, რაც გამოიხატება მათ ვისკოელასტიურ ქცევაში. ამ შემთხვევაში, სტრუქტურირება არ არის პოლიმერის არასრული დაშლის შედეგი, არამედ განისაზღვრება ინტერმოლეკულური კონტაქტების განვითარებული ქსელის არსებობით. გახსნილი პოლიმერის კონცენტრაციისა და მოლეკულური წონის მატებასთან ერთად, აგრეთვე ხსნარის შერევის პროცესის გაძლიერებით, მითითებულ ეფექტებს მწვავდება, რაც, ნაშრომის ავტორების აზრით, გამოწვეულია არა მხოლოდ მატებით. მაკროჯაჭვის ჩახლართულების რაოდენობაში, არამედ სტაბილური მოლეკულური წარმონაქმნების (ასოცირების) შექმნით ხანგრძლივი რელაქსაციის დროით.

ნაშრომში განხილულია შერევის გავლენა ქსილენში UHMWPE-ის დაბალი კონცენტრაციის ხსნარების სტრუქტურაზე. აღმოჩნდა, რომ შერევის საწყის ეტაპზე ხსნარის სიბლანტე ოდნავ იზრდება, შემდეგ კი მუდმივ დონეს აღწევს. ამ შემთხვევაში ხსნარის სტრუქტურაში შესამჩნევი ცვლილებები არ არის. მისი გაგრილების შემდეგ წარმოიქმნება არა მონოლითური გელი, არამედ სუსტად ურთიერთდაკავშირებული კრისტალების ბუნდოვანი სუსპენზია. შემდგომი შერევის დროს სიბლანტე უკიდურესად იცვლება: ჯერ იზრდება და შემდეგ მცირდება. დადგენილია, რომ მაქსიმალურ მნიშვნელობასთან მიახლოებული სიბლანტის დროს საკმარისად ძლიერ ათვლის დეფორმაციას დაქვემდებარებული დაბალი კონცენტრაციის ხსნარი ხდება „სტრუქტურირებული“ და გაციების შემდეგ გადადის გელის მდგომარეობაში „შიშ-ქაბაბის“ ტიპის მორფოლოგიით. ამ ეფექტის მიზეზი, როგორც ნაშრომშია დადგენილი, არის პოლიმერული ჯაჭვების სორბცია სტაციონარული ცილინდრის შიდა ზედაპირზე და მბრუნავი როტორის გარე ზედაპირზე. სორბციის დროს, ნაწილობრივ გასწორებული UHMWPE მაკრომოლეკულები ქმნიან სტაბილურ ასოციაციებს და ერთმანეთში ირევიან, ქმნიან ქსელურ ფენას, რომელიც იზრდება ვისკომეტრის რგოლოვანი უფსკრულის გასწვრივ. ეს ყველაფერი ხელს უწყობს ათვლის სტრესის ზრდას და სისტემის სიბლანტის შესაბამის ზრდას. შედეგად, სორბირებული ბადის ფენაზე მოქმედი სტრესის სიდიდე იმდენად მაღალი ხდება, რომ იწვევს მის განადგურებას ცალკეულ შეუთავსებელ ნაწილაკებად, რომლებიც თანაბრად ნაწილდება მოცულობაზე.

1.3.3 UHMWPE გელების თვისებები

სინთეზური პოლიმერებისთვის, მათი მომზადების და, ნაწილობრივ, დამუშავების პროცესის მრავალი პროცესი დაკავშირებულია გელაციის მდგომარეობაში გადასვლასთან. ეს გადასვლა გელ - ტექნოლოგიაზე ხორციელდება არა გამხსნელის შემადგენლობის შეცვლით, არამედ ხსნარის ტემპერატურის დაწევით, რის შედეგადაც წარმოიქმნება გელის წარმოქმნა.

გელის მორფოლოგია დამოკიდებულია ხსნარის თერმულ და რეოლოგიურ ისტორიაზე. შიშ-ქაბაბის ტიპის სტრუქტურის წარმოქმნის თავიდან ასაცილებლად, გელი უნდა იქნას მიღებული მაღალ ტემპერატურაზე თერმოსტატული მშვიდი ხსნარებიდან.

ნაშრომებში წარმოდგენილი იდეების მიხედვით, ასეთ პირობებში მიღებული გელი წარმოადგენს გამხსნელით სავსე ქსელურ სისტემას, რომლის კვანძები არის ლამელარული კრისტალები (ლამელები), რომლებიც ერთმანეთთან დაკავშირებულია მაკრომოლეკულების არაკრისტალიზებული უბნებით. კრისტალებში ჯაჭვის დასაკეცი სიბრტყეები ნაკლებად სრულყოფილია, ვიდრე წრფივი PE-ს განზავებული ხსნარებიდან გამოყვანილ ერთკრისტალებში. ამ შემთხვევაში, UHMWPE-ის კრისტალიზაცია მთლიანად არ ხდება.

ასევე, ნაშრომში წარმოდგენილია დიფერენციალური სკანირების კალორიმეტრიით UHMWPE გელების კვლევის შედეგები, რომლებიც აჩვენებს გელის კრისტალური სტრუქტურის ფორმირების დამოკიდებულებას გამხსნელის კონცენტრაციაზე. გელში გამხსნელის კონცენტრაციის დაქვეითება იწვევს მაკრომოლეკულების კრისტალიზაციის პროცესების გაგრძელებას. გელის ბოჭკოში გამხსნელის კონცენტრაციიდან გამომდინარე, უნდა შეირჩეს შესაბამისი ტემპერატურა, რათა უზრუნველყოს ბადეების ოპტიმალური ქსელის არსებობა, რათა თავიდან იქნას აცილებული ზედმეტი ძაბვები მაკრომოლეკულების ცალკეულ მონაკვეთებში გელის ბოჭკოს სტრუქტურის ორიენტაციის თითოეულ ეტაპზე.

1.4 UHMWPE გელის ძაფის სიმტკიცის მახასიათებლების ცვლილება ორიენტაციის გაჭიმვის დროს

ნაშრომში შესწავლილი იყო გელის დაწნვით მიღებული UHMWPE ბოჭკოს სიძლიერის მახასიათებლების დამოკიდებულება დაჭიმვის თანაფარდობაზე. ამ კვლევაში მიღებული მონაცემები ნაჩვენებია ცხრილში 1.

ნახაზი 3 გვიჩვენებს, რომ უკვე ორიენტაციის საწყის ეტაპებზე, არის ძალის მნიშვნელოვანი ზრდა მოზიდვის კოეფიციენტამდე l? 30. სიძლიერის მნიშვნელობა იზრდება 0,21-დან 2,40 გპა-მდე. 30-ჯერ კაპოტის მიღწევის შემდეგ და ლ-მდე? 64 სიძლიერის მატება მცირდება. ბოლო ეტაპებზე ძალა ისევ იზრდება და ლ? 81 ხდება მაქსიმუმი - 3.73 GPa.

ცხრილი 1 - UHMWPE გელის ბოჭკოების სიძლიერის მახასიათებლები

სურათი 3 - სიძლიერის დამოკიდებულება (1) და ელასტიურობის მოდული (2)

სურათი 3-ის შესაბამისად, გაჭიმვის თანაფარდობის მატებასთან ერთად, UHMWPE გელის ბოჭკოების ელასტიური მოდული E ასევე იზრდება (მრუდი 2). თუმცა, უნდა აღინიშნოს, რომ E-ს ცვლილების ხასიათი განსხვავდება სიძლიერისგან: E-ს ზრდა ხატვის დასაწყისში გარკვეულწილად ნელა ხდება (l? 14.4-მდე). სიმრავლის დიაპაზონში 14,4-დან 30-მდე, შეინიშნება ელასტიურობის მოდულის საკმაოდ სწრაფი ზრდა. გარდა ამისა, E-ში ცვლილების დინამიკა სიძლიერის მსგავსია.

მე-4 სურათზე წარმოდგენილი მიკროგამოსახულებებიდან, რომლებიც მიღებულია SEM-ის გამოყენებით, ჩანს, რომ ძაფის დიამეტრი მცირდება დაჭიმვის თანაფარდობის მატებასთან ერთად.

სურათი 4 - UHMWPE ბოჭკოების ნიმუშების SEM მიკროგამოსახულებები სხვადასხვა გაყვანის კოეფიციენტებით: 9.0 (a) და 59.1 (b)

გაჭიმვის საწყის ეტაპებზე შესწავლილ ბოჭკოში შეუძლებელია ცალკეული ძაფების გარჩევა, ხოლო l-ის ზრდასთან ერთად ბოჭკო ფიბრილიზდება (იყოფა ცალკეულ ძაფებად).

1.4.1 მაღალი ხარისხის UHMWPE ბოჭკოები

ულტრა მაღალი მოლეკულური წონის პოლიეთილენის ბოჭკოების (UHMWPE) ბოჭკოების და მათგან მიღებული პროდუქტების გლობალური ბაზრის ზრდა წელიწადში 25%-ია. ბოჭკოვანი პოლიმერული კომპოზიტური მასალების წარმოება UHMWPE ბოჭკოებისგან, ქსოვილებისა და არაქსოვილი მასალისგან გამოიწვევს ბაზრის მნიშვნელოვან ზრდას. ყველა ცნობილი ბოჭკოდან, UHMWPE ბოჭკოები ყველაზე მსუბუქია და ფიზიკური და მექანიკური თვისებების მიხედვით ერთეულ წონაზე, ისინი აღემატება ბევრ გამოყენებული მასალას. ეს შესაძლებელს ხდის UHMWPE ბოჭკოებისგან ახალი ულტრა მსუბუქი მაღალი სიმტკიცის პოლიმერული კომპოზიციური მასალების (PCM) მიღებას, რაც მნიშვნელოვანია ტექსტილის, მსუბუქი, საავტომობილო, კოსმოსური, უპილოტო და კომერციული საავიაციო ინდუსტრიისთვის. ასეთი მასალების უფრო მაღალი სპეციფიკური მახასიათებლები შესაძლებელს ხდის პროდუქციის წონის შემცირებას და გარემოზე ეკოლოგიური ტვირთის შემცირებას, ატმოსფეროში გამონაბოლქვის შემცირებას და ენერგიისა და საწვავის მოხმარების შემცირებას.

ინტერესი UHMWPE ბოჭკოების და მათ მიერ გაძლიერებული პოლიმერული კომპოზიტური მასალების (PCM) მიმართ ასევე ასოცირდება ბოჭკოების მაღალ ზემოქმედებასთან და უნიკალურ დიელექტრიკულ თვისებებთან, დაძაბულობის სიჩქარის დადებით გავლენას მათ სიძლიერეზე, სიმტკიცის მკვეთრ მატებაზე დაბალ ტემპერატურაზე, ქიმიურ და ბიოლოგიურ. ინერტულობა, ასევე ხახუნის ძალიან დაბალი კოეფიციენტი.

ამჟამად, ულტრამაღალმოლეკულური წონის პოლიეთილენზე დაფუძნებული ბოჭკოები (UHMWPE - ბოჭკოები) და მათზე დაფუძნებული მასალები გამოიყენება საზღვარგარეთ, როგორც ბალისტიკური დაცვის მასალა (ტანის ჯავშანი, ჩაფხუტი, თვითმფრინავების დაცვა და ჯავშანტექნიკა), ტანსაცმლის წარმოება, რომელიც იცავს მუშებს. ჭრილობებისა და პუნქციებისგან, აგრეთვე, როგორც საბუქსირე თოკების, კაბელების, სატვირთო ბორბლების, სათევზაო ბადეების და სხვა პროდუქტების მთელი ასორტიმენტის წარმოებისთვის.

ამ დროისთვის, UHMWPE-ის საუკეთესო ნიმუშებზე - ბოჭკოები, რომლებიც სპეციფიკური მახასიათებლებით აღემატება არამიდის ბოჭკოებს, ჭიმვის საბოლოო სიმტკიცე 3.3-3.9 გპა, ელასტიური მოდულის მნიშვნელობა 110-140 გპა, დრეკადობით 3. მიღწეულია -4%, რაც არის თეორიულად შესაძლო მნიშვნელობების დაახლოებით 10%, რომელიც გამოითვლება UHMWPE მოლეკულაში C-C ბმის სიძლიერის საფუძველზე. UHMWPE ბოჭკოებში მაღალი სიმტკიცის თვისებების მისაღწევად საჭიროა მოლეკულების მაღალი ორიენტაცია ბოჭკოების დახატვის მიმართულებით, ამასთან, უზრუნველყოფილია მისი კრისტალურობის მაღალი ხარისხი. UHMWPE-ში ამ მდგომარეობის მიღწევა რთული პრობლემაა მოლეკულების დაბალი მობილურობის გათვალისწინებით, რაც იწვევს პოლიმერის მაღალ სიბლანტეს, რომელიც არ გადადის სითხის მდგომარეობაში დნობისას. ამავდროულად, მისი კრისტალურობის ხარისხი მნიშვნელოვნად მცირდება წინასწარ ორიენტირებული UHMWPE-ის განმეორებითი დნობის დროს. ამრიგად, ბოჭკოების მიღების პროცესი უნდა მოხდეს პოლიმერის დნობის წერტილის ქვემოთ ტემპერატურაზე. UHMWPE მოლეკულების ორიენტაციის საჭირო ხარისხის უზრუნველსაყოფად და მათი მობილურობის გაზრდის მიზნით, გამოიყენება გელის ტექნოლოგია. UHMWPE გელების მისაღებად გამოიყენება დეკალინი, ქსილენი და პარაფინის ზეთები. ამავდროულად, ღია ლიტერატურაში არ არსებობს სისტემატიზებული მონაცემები გელების მიღების პირობების გავლენის, ბოჭკოებად მათი დამუშავების პირობების და ორიენტაციის გაჭიმვის ხარისხს, ბოჭკოების სტრუქტურასა და წინამორბედებს შორის.

1.5 ნახშირბადის ნანომილები (CNTs), როგორც UHMWPE ბოჭკოვანი მოდიფიკატორი

ნანოტექნოლოგიის სწრაფი განვითარების გამო, ასევე უნიკალური ფიზიკური და ქიმიური თვისებების გამო, CNTs ამჟამად ერთ-ერთი ყველაზე შესწავლილი ობიექტია. ისინი ცილინდრში შემობრუნებული გრაფენის თვითმფრინავებია. როდესაც მილის კედლები წარმოიქმნება ერთი ასეთი ცილინდრით, ისინი საუბრობენ ერთკედლიან ნახშირბადის ნანომილაკებზე (SWCNT), მაგრამ როდესაც კედლები ერთმანეთში ბუდობს სხვადასხვა დიამეტრის რამდენიმე ან ბევრი ცილინდრით, ნანომილებს უწოდებენ მრავალკედლიანს. MWNTs).

1.5.1 CNT-ების თვისებები და გამოყენება

როგორც სხვა ნანო ზომის ობიექტების შემთხვევაში, CNT-ების თვისებები ძირითადად დამოკიდებულია მათ ზომაზე. გარდა ამისა, ამ შემთხვევაში ატომების მნიშვნელოვანი ნაწილია ზედაპირი, რომელიც განსაზღვრავს ნანომილების ქიმიურ აქტივობას. ამრიგად, მათ აქვთ მიკრო და მაკროსხეულებისგან განსხვავებული თვისებები, რაც აუცილებელია მთელი რიგი პროცესებისთვის, როდესაც ზედაპირის ატომების მდგომარეობა და რაოდენობა ერთ-ერთი განმსაზღვრელი ფაქტორია.

იდეალური ნანომილაკი არის ცილინდრი, რომელიც მიიღება გრაფიტის ბრტყელი ექვსკუთხა ბადის უწყვეტი გორნით. მისი მოდელი ნაჩვენებია სურათზე 5.

სურათი 5 - ერთი კედლის ნახშირბადის ნანომილის მოდელი

გრაფიტის ექვსკუთხა ქსელისა და ნანომილის გრძივი ღერძის ორმხრივი ორიენტაცია განსაზღვრავს ნანომილის ძალიან მნიშვნელოვან სტრუქტურულ მახასიათებელს - ქირალობას. ქირალურობას ახასიათებს ორი მთელი რიცხვი (m, n), რომლებიც მიუთითებენ ბადის ექვსკუთხედის მდებარეობაზე, რომელიც დაკეცვის შედეგად უნდა ემთხვეოდეს საწყისში მდებარე ექვსკუთხედს. ნანომილის ქირალურობა ასევე შეიძლება აღვნიშნოთ და განისაზღვროს კუთხით, რომელიც წარმოიქმნება ნანომილის დაკეცვის მიმართულებით და იმ მიმართულებით, რომლითაც მიმდებარე ექვსკუთხედებს აქვთ საერთო მხარე. CNT დასაკეცი უამრავი ვარიანტია, მაგრამ მათ შორის გამოირჩევა, რის შედეგადაც ექვსკუთხა ქსელის სტრუქტურა არ არის დამახინჯებული. ეს მიმართულებები შეესაბამება a = 00 და a = 300 კუთხეებს, რაც შეესაბამება ქირალურობას (m, 0) და (2m, n). სურათი 6 გვიჩვენებს CNT-ების პირველ მიკროსურათებს, რომლებიც დათარიღებულია 1992 წლით.

სურათი 6 - მრავალშრიანი კოაქსიალური CNT-ების ელექტრონული მიკროსკოპული გამოსახულებები სხვადასხვა შიდა და გარე დიამეტრით

CNT-ების გამოყენების სფეროები ძალიან ფართოა. ბიოქიმიისთვის, კერძოდ, ყველაზე საინტერესოა CNT ზედაპირის ფუნქციონალიზაცია ბიოლოგიურად აქტიური ნივთიერებებით და ბიომოლეკულებით. MWCNT-ების უნიკალური თვისებების გამო, მათ შეუძლიათ სპონტანურად შეაღწიონ ცოცხალ უჯრედში მემბრანის ბილიპიდური შრის მეშვეობით. შესაძლებელი ხდება უჯრედის შიგნით მოლეკულებით მანიპულირება, ხელოვნური ნერვული ქსელების შექმნა, ბიოლოგიურად აქტიური ნივთიერებების ორგანიზმში ნანო გადატანა და ა.შ.

ასევე უნდა აღინიშნოს თავად MWCNT-ების მაღალი სიმტკიცე, სიმტკიცე და ელასტიურობა, რაც საფუძვლად უდევს მათზე დაფუძნებული ახალი კომპოზიციური მასალების შექმნას და უნიკალური ელექტრული გამტარი და ფოტოემისიის თვისებები, რომლებიც პირდაპირ კავშირშია ნანომილის სტრუქტურასთან. იმის მიხედვით, თუ როგორ ხდება გრაფიტის ფენის ცილინდრში გადახვევა, CNT-ებს შეიძლება ჰქონდეთ მეტალის ან ნახევარგამტარული თვისებები, რაც მათ პერსპექტიულს ხდის ელექტრონიკაში გამოსაყენებლად. CNT-ების პოლიმერულ მატრიცაში შეყვანამ შეიძლება შესაძლებელი გახადოს გამტარ პოლიმერული მასალის მიღება, რომელსაც ასევე აქვს გაუმჯობესებული მექანიკური თვისებები სუფთა პოლიმერთან შედარებით.

1.5.2 CNT-ების გავლენა UHMWPE-დან მიღებული VP ბოჭკოების სტრუქტურასა და თვისებებზე

უცხოურ ნაშრომებში აღნიშნულია, რომ პოლიმერული მასალების საწყისი შევსება CNT-ებით შემდგომი ორიენტაციამდე ეფექტური მეთოდია მექანიკური თვისებების გაზრდისთვის, რაც მიიღწევა შემავსებლის დამატებითი დისპერსიის, პოლიმერული ჯაჭვებში მისი ღრმა ინტეგრაციისა და გაუმჯობესების გამო. ურთიერთქმედება შემავსებელსა და მატრიცას შორის. პოლიმერის ორიენტაცია იწვევს შემავსებლის სპეციფიკურ ორიენტაციას, რაც იწვევს თვისებების ანიზოტროპიას და მათ გაძლიერებას ერთი მიმართულებით.

ამჟამად მიმდინარეობს განვითარება UHMWPE-ზე დაფუძნებული კომპოზიციური ბოჭკოების მისაღებად, რომლებიც გამაგრებულია დისპერსიული შემავსებლებით, CNT-ების ჩათვლით, ფიზიკური, მექანიკური და ოპერატიული თვისებების გასაუმჯობესებლად.

CNT-ების გავლენა ელასტიურობის მოდულზე ორიენტირებულ ნანოკომპოზიტებში აქვს რთული ქცევა. თუ იზოტროპული ნანოკომპოზიტების შემთხვევაში, CNT-ების შევსებისას, დაფიქსირდა ელასტიური მოდულის ზრდა, მაშინ ორიენტირებული ნანოკომპოზიტების შემთხვევაში, ელასტიური მოდული შეიძლება შემცირდეს, დარჩეს მუდმივი ან გაიზარდოს CNT-ების შემოღებით. ნაშრომში ელასტიური მოდულის შემცირება აიხსნება იმით, რომ MWCNT ხელს უშლის UHMWPE პოლიმერული ჯაჭვების ორიენტაციას. და ამიტომ, ნანოკომპოზიტის ორიენტირებული სტრუქტურა დრეკადობის თანაფარდობით l = 100 შეესაბამება შეუვსებელი პოლიმერის ორიენტირებულ სტრუქტურას დრეკადობის კოეფიციენტით l = 25. ნამუშევარში ელასტიურობის მოდული ყველა მიღებული ბოჭკოსთვის იყო 20 გპა-ზე მეტი. . და ნაშრომის ავტორები აღნიშნავენ, რომ ელასტიურობის ასეთი მაღალი მოდულის დროს CNT-ები არ შეიძლება წვლილი შეიტანონ სიხისტის დამატებით მატებაში, თუ ისინი მთლიანად არ არიან ორიენტირებული ბოჭკოვანი ღერძის მიმართულებით და ნაწილდებიან ცალკეულ ნანომილებში. მკვლევართა იმავე ჯგუფმა, თავის შემდგომ ნაშრომში, მიაღწია ელასტიურობის მოდულის მნიშვნელოვან ზრდას 136,8 GPa-მდე, MWCNT-ების 0,05 მასის ფრაქციების შემოღებით, შერევისა და ბოჭკოების ორიენტაციის ტექნოლოგიის გაუმჯობესებით.

ნაშრომში დადასტურდა, რომ CNT-ების დამატება შევსების მცირე ხარისხით დიაპაზონში შეიძლება მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს თერმული, ელექტრული და მექანიკური თვისებები მათი გრაფიტის მსგავსი სტრუქტურის გამო.

ამ სამუშაოში მიღებული შედეგები მიუთითებს იმაზე, რომ ნახშირბადის ნანომილები თანაბრად ნაწილდება UHMWPE ბოჭკოებში და ქმნიან ძლიერ კავშირს ხსნარიდან მისი კრისტალიზაციის დროს. ასეთი ხსნარებიდან მიღებული მასალების მექანიკური და თერმული თვისებები უფრო მაღალია შეუვსებელი UHMWPE-ის მსგავს მასალებთან შედარებით. ასევე დაასკვნეს, რომ MWCNT-ების 0,06 მასობრივი ფრაქციის დამატებისას, მექანიკური თვისებების გაუმჯობესება არ იყო ისეთი მნიშვნელოვანი, როგორც შემავსებლის დაბალი კონცენტრაციის დროს. აქედან, ისევე როგორც მსგავსი სამუშაოების მოცემული მონაცემებიდან გამომდინარეობს, რომ UHMWPE ნახშირბადის ნანომილებით შევსების ოპტიმალური ხარისხია 0,001-დან 0,05 მასის წილადამდე.

CNT-ების შემცველი პოლიეთილენის მატრიცის მექანიკური თვისებების ზრდა ასევე შეიძლება დაიწყოს პოლიმერული მატრიცის სუპრამოლეკულური სტრუქტურის ცვლილების შედეგად. CNT-ებს აქვთ პოლიეთილენის კრისტალების გეომეტრიული ზომები, ამიტომ ნანომილების არსებობამ შეიძლება გავლენა მოახდინოს პოლიმერის კრისტალიზაციაზე და პოლიეთილენის ჯაჭვების შეფუთვაზე. ნანომასშტაბიანი ზომის გამო, CNT-ებს შეუძლიათ იმოქმედონ როგორც ბირთვული დანამატები და შეცვალონ კრისტალიზაციის მექანიზმი ჰომოგენურიდან ჰეტეროგენამდე, რაც აღინიშნა ნაშრომში. ჰეტეროგენული კრისტალიზაციის მექანიზმით, როგორც წესი, ხდება პოლიმერული მატრიცის კრისტალურობის ხარისხის ზრდა. ნაშრომში, UHMWPE-ის კრისტალიზაციის ჰეტეროგენული მექანიზმით MWCNT-ებზე, კრისტალურობის ხარისხი შემცირდა 5%-ით. პოლიეთილენის კრისტალების ზრდა შეიძლება მოხდეს როგორც ცალკეული ნანომილების ზედაპირზე, ასევე მტევნებზე. ნამუშევარში, ნანოკომპოზიტების MWCNT - UHMWPE SEM მიუთითებს პოლიმერული კრისტალების ზრდაზე MWCNT-ების კლასტერიდან 1 μm ზომით.

ჰეტეროგენულ კრისტალიზაციას ორი განმასხვავებელი წერტილი აქვს. პირველ რიგში, კრისტალური ფაზის პროპორციის ზრდა იწვევს თავად პოლიმერული მატრიცის სიძლიერისა და სიმტკიცის ზრდას. მეორეც, პოლიმერის კრისტალიზაცია CNT ზედაპირზე იწვევს ძლიერი მექანიკური ურთიერთქმედების წარმოქმნას და, შედეგად, მატრიცის უნარის გაზრდას, გადაიტანოს დატვირთვა შემავსებელზე. ყველა ზემოხსენებულ სამუშაოში, სადაც მექანიკური თვისებების ზრდა შეინიშნებოდა CNT-ების დამატებისას, პოლიეთილენის კრისტალიზაცია მოხდა ნანომილების ზედაპირზე.

CNT-ებს დიდი გავლენა აქვთ პოლიეთილენის სუპრამოლეკულურ სტრუქტურაზე. იზოტროპულ მდგომარეობაში პოლიეთილენს უპირატესად აქვს ლამელარული კრისტალური სტრუქტურა, ორიენტირებული ფიბრილარულში. ნანომილების ზედაპირზე, PE-ს შეუძლია კრისტალიზაცია მოახდინოს შიშ-ქაბაბის ტიპის სტრუქტურაში, როგორც ეს ნაჩვენებია სურათზე 7. ეს სტრუქტურა არის დისკი, რომელიც წარმოიქმნება დაკეცილი ჯაჭვის პოლიეთილენის ლამელებით, რომლის ზრდის ცენტრი არის შიდა ფიბრილარული კრისტალები, რომლებიც დამაგრებულია ჭიქზე. ნახშირბადის ნანომილაკი.

სურათი 7 - შიშ-ქაბაბის ტიპის სუპრამოლეკულური სტრუქტურა, რომელიც წარმოიქმნება PE კრისტალზაციით CNT ზედაპირზე

შიშ-ქაბაბის სტრუქტურა შეიძლება ჩამოყალიბდეს CNT ზედაპირზე დიდი სიგრძის, ნანომილების დიამეტრის და კრისტალიზაციის აქტიური ბირთვული ცენტრების საშუალო სიმკვრივის გამო. ზედაპირის დიამეტრი, რომელზეც PE კრისტალიზდება, უზარმაზარ როლს ასრულებს შიშ-ქაბაბის სტრუქტურის ფორმირებაში. როდესაც ბოჭკოვანი შემავსებლის დიამეტრი აღემატება კრიტიკულს, მაგალითად, ნახშირბადის ბოჭკოს ზედაპირზე კრისტალიზაციის დროს, ხდება პოლიმერის კრისტალიზაცია, თითქოს ის ბრტყელ ზედაპირზე იყოს, სურათი 8. ამიტომ, გეომეტრია პოლიმერის კრისტალური სტრუქტურა დიდწილად დამოკიდებულია ნანომილის გეომეტრიაზე და არ არის დამოკიდებული მის ქირალურობაზე.

CNT ზედაპირზე პოლიმერის კრისტალიზაცია, შიშ-ქაბაბის კრისტალური სტრუქტურის სახით, შესაძლებელს ხდის ნანოკომპოზიტების მიღებას ორიენტირებული კრისტალებით, შემავსებლის ორიენტაციისა და კრისტალური ფაზის მიმართული ზრდის გამო, ზედაპირზე პერპენდიკულარულად. ნანომილის.

სურათი 8 - PE კრისტალიზაციის ბუნება ა) CNT და ბ) ნახშირბადის ბოჭკოს ზედაპირზე

UHMWPE-ზე დაფუძნებულ ბოჭკოებს აქვთ 5%. UHMWPE/CNT კომპოზიტური ბოჭკოების შედარებით დრეკადობა ორმაგი ტენდენციაა. ერთ შემთხვევაში, შეინიშნება შედარებითი დრეკადობის ზრდა იმ მასალებთან შედარებით, რომლებიც არ შეიცავს ნანომილებს. სხვა სამუშაოებში შეინიშნება შედარებითი დრეკადობის შემცირება, CNT-ების დამატებით. CNT-ების შემცველი ბოჭკოს ფარდობითი დრეკადობის ზრდა აიხსნება მეორადი კრისტალიზაციის შედეგად ჯაჭვის მობილურობის ზრდით. მეორადი კრისტალიზაცია ხდება ბოჭკოების წინამორბედების 120 0 C-მდე გაცხელების პროცესში, როდესაც ისინი ორიენტირებულია ბოჭკოს საბოლოო მდგომარეობაზე. ავტორების აზრით, მეორადი კრისტალიზაციის პროცესში იქმნება შიშ-ქაბაბის ტიპის სტრუქტურა, რომელსაც აქვს უფრო დიდი ჯაჭვის მობილურობა, ვიდრე ორიგინალური UHMWPE-ის კრისტალური სტრუქტურა.

განსაკუთრებული ყურადღება უნდა მიექცეს სამუშაოს, რომელშიც ბოჭკოვანი წინამორბედების ორიენტაცია ხორციელდება ოთახის ტემპერატურაზე ციკლური „ჩატვირთვა-გადმოტვირთვის“ მეთოდით. მეთოდის არსი იყო ბოჭკოების „გაწვრთნა“ მისი დატვირთვით, ელასტიურობის სიძლიერის შესაბამისი სიდიდემდე და შემდგომში დაძაბულობის დაძაბულობის სრული მოხსნა. ყოველი მომდევნო ციკლით, გამოყენებული დაძაბულობა გაიზარდა. ასეთი ციკლური დატვირთვა-გადმოტვირთვა გაგრძელდა ბოჭკოს განადგურებამდე. ბოჭკოების მთლიანმა დეფორმაციამ მიაღწია 200% -ზე მეტს. ბოჭკოში მიღებული ძაბვები დაფიქსირდა როგორც ნამდვილი ძაბვები, ე.ი. დეფორმაციის პროცესში ბოჭკოს ცვალებად კვეთის თვალსაზრისით.

საერთო ჯამში, შესწავლილი იქნა ბოჭკოების ორი ტიპი: UHMWPE ბოჭკოვანი შემავსებლის გარეშე და UHMWPE ბოჭკო, რომელიც შეიცავს 0,02 მასის ფრაქციებს. შეუვსებელი UHMWPE ბოჭკოსთვის, "ვარჯიშის" შემდეგ, მაქსიმალური ჭეშმარიტი სიძლიერე და ელასტიურობის მოდული იყო 0.97 GPa და 3.9 GPa, შესაბამისად. ბოჭკოსთვის, რომელიც შეიცავს MWCNT-ების 0,02 მასის ფრაქციებს, მაქსიმალური ჭეშმარიტი სიძლიერე და ელასტიურობის მოდული იყო 1,9 GPa და 10,3 GPa.

აღნიშნულია, რომ მასალის ციკლური „ვარჯიშების“ დროს, მექანიკური თვისებების ზრდა ხდება პოლიმერის სტრუქტურაში შემდეგი ცვლილებების გამო:

ფიბრილარული სტრუქტურის ფორმირება UHMWPE-ში:

პოლიმერის კრისტალურობის ხარისხის გაზრდა;

MWCNT-ების ორიენტაცია დატვირთვის გამოყენების მიმართულებით.

პოლიმერული მასალის ციკლური სქემა „ჩატვირთვა-გადმოტვირთვა“ იწვევს პოლიმერის დაძაბულობის გამკვრივებას, ლამელების ნაწილობრივი გასწორების, ორიენტირებული ფიბრილარული სტრუქტურის წარმოქმნის და კრისტალური ფაზის ფრაგმენტაციას მცირე კრისტალებად. პოლიმერული მასალის გამაგრების უნარის შესაფასებლად გამოიყენება ექსპონენციალური მაჩვენებელი n, განტოლებიდან 1:

სადაც K არის სიძლიერის ფაქტორი,

ე - დეფორმაცია,

n - დაძაბულობის გამკვრივების ექსპონენციალური მაჩვენებელი.

ექსპონენციური დაძაბულობის გამკვრივების ინდექსის გამოთვლებმა აჩვენა, რომ შეუვსებელი UHMWPE მატრიცისთვის n=0.91, MWCNT-ების დამატებით ის იზრდება n=1.15-მდე. აქედან გამომდინარეობს, რომ MWCNT-ები ზრდის მასალის გამკვრივების უნარს ციკლური დატვირთვა-გადმოტვირთვის შედეგად. ასევე შეიძლება აღინიშნოს, რომ MWCNT არის ბირთვული დანამატი და ხელს უწყობს UHMWPE-ის კრისტალურობის ხარისხის ზრდას. და ბოჭკოს „ვარჯიშს“ მივყავართ კრისტალურობის ხარისხის დამატებით მატებამდე 4%-ით შეუვსებელი UHMWPE-სთვის და 6%-ით UHMWPE/MWNT-ისთვის. კრისტალურობის ხარისხის მთლიანი ზრდა, ციკლური დატვირთვა-გადმოტვირთვისა და MWCNT-ების გამო, ხდება 15%-ით. ნანომილების დაბინძურება პოლიმერული ფენით, ჰეტეროგენული კრისტალიზაციის შედეგად, ხელს უწყობს ძაბვის გადატანას მატრიციდან ნანომილაკებში.

კვლევები, რომლებშიც დაფიქსირდა მექანიკური თვისებების ზრდა, მიუთითებს პოლიმერსა და CNT-ებს შორის ძლიერი ადჰეზიის წარმოქმნაზე. ადჰეზიის გაძლიერება ხდება შემავსებლისა და მატრიცის მექანიკური ადჰეზიის მექანიზმით, CNT-ების ზედაპირზე პოლიმერული კრისტალების ზრდის გამო, თუ CNT არის ბირთვული დანამატი.

ბოჭკოს მექანიკურ თვისებებზე დიდ გავლენას ახდენს პოლიმერის ინტერფიბრილარული სტრუქტურა. ამორფული მოლეკულები, რომლებიც გაჟღენთილია ფიბრილარულ კრისტალებში, მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ კრისტალებს შორის სტრესის გადაცემაში. ამორფული მოლეკულების გასწორება იწვევს ბოჭკოს ელასტიურობის მოდულისა და დაჭიმვის სიძლიერის ზრდას. ამრიგად, ბოჭკოების ანალიზისას გამოიყოფა ამორფული მოლეკულების სპეციალური კლასი "დაჭიმული მოლეკულები", რომლებიც უკიდურესად დაჭიმულ მდგომარეობაში არიან და ერთმანეთთან აკავშირებენ პოლიმერის ფიბრილურ კრისტალურ უბნებს. ამ მოლეკულების რაოდენობა ბოჭკოს ინტერფიბრილარულ სტრუქტურაში დიდწილად განსაზღვრავს მის მექანიკურ ქცევას.

1.5.3 CNT-ების UHMWPE ხსნარში შეყვანის მეთოდები

ნახშირბადის ნანომილების ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული გამოყენება არის მათი გამოყენება, როგორც გამაძლიერებელი შემავსებლები სხვადასხვა მატრიცებში, მათ შორის პოლიმერებში. ფართომასშტაბიანი წარმოება, როგორც წესი, ორთქლის ფაზის დეპონირების მეთოდის ფარგლებში, აწარმოებს CNT-ებს ჩახლართული მილების აგლომერატების სახით, ზომით 20-500 მიკრონი.

CNT-ების გამოყენება შესაძლებელს ხდის PCM-ების დეფორმაციულ-ძლიერების მახასიათებლების გაზრდას, თუმცა მიღწეული დადებითი ეფექტის დონე დიდწილად დამოკიდებულია CNT-ების დანერგვის ტექნოლოგიაზე. მთავარი პრობლემა CNT-ების აგრეგაციაა, რომელიც ნაწილობრივ გვარდება მათი დისპერსიის მაღალეფექტური მეთოდების გამოყენებით, მაგრამ აქტუალური რჩება ნანონაწილაკების, მათ შორის CNT-ების დანერგვის ახალი ტექნოლოგიების შემუშავება.

ამავდროულად, CNT-ებით სავსე კომპოზიციური მასალების მაღალი ეფექტურობის მიღება შესაძლებელია პოლიმერულ მატრიცაში მათი ერთგვაროვანი განაწილების პირობებში. ეს იწვევს CNT აგლომერატების დისპერსიის ეფექტური მეთოდის პოვნის აუცილებლობას.

ნაშრომში კარგად არის აღწერილი CNT-ების ხსნარში დეაგლომერაციის მეთოდი და ხსნარის შემდგომი ჰომოგენიზაცია ულტრაბგერითი ზემოქმედებით. ულტრაბგერითი დისპერსერში, გლუკოზის ან ეთანოლის წყალხსნარში, CNT ფხვნილი დამუშავებული იყო სხვადასხვა კონცენტრაციით. ხსნარების ჰომოგენიზაცია განხორციელდა ორ რეჟიმში: ულტრაბგერითი დაშლა და კავიტაციის რეჟიმი. კორელაციური ლაზერული სპექტროსკოპიის მეთოდით გამოკვლევებმა დაეხმარა სხვადასხვა სისტემისთვის CNT ნაწილაკების ზომის განაწილების ფუნქციების ფორმის მიღებას, რაც ნაჩვენებია სურათზე 9.

სურათი 9 - CNT აგლომერატების ზომის განაწილება გლუკოზის წყალხსნარში: 1 - კავიტაციის რეჟიმი; 2 - ულტრაბგერითი დაშლა

მიღებული მონაცემების ანალიზი საშუალებას გვაძლევს დავასკვნათ, რომ ულტრაბგერითი დაშლა არ იწვევს CNT აგლომერატების ზომის მნიშვნელოვან ცვლილებას, თუმცა, ისინი იღებენ გაფართოებულ ნაწილაკებს, რომელთა დიამეტრი დაახლოებით 0,5–1,0 μm და სიგრძეა 5. -100 მკმ. რა არ შეიძლება ითქვას კავიტაციის რეჟიმზე.

კავიტაციის რეჟიმში ჰომოგენიზაციის ხარისხი გაცილებით მაღალია და დამოკიდებულია ხსნარში CNT კონცენტრაციაზე. მაგალითად, CNT-ების 0,05 მასის ფრაქციების კონცენტრაციისთვის, ნაწილაკები იღებენ ზომებს 0,2–1,0 μm დიაპაზონში, ხოლო 0,02 მასის ფრაქციებზე CNT–ების ძირითადი რაოდენობის ორი ზომაა დაფიქსირებული: 0,01–0,10 μm და 1. .0-5.0 მკმ.

CNT აგლომერაციის ერთ-ერთი მთავარი მიზეზი მათი დიდი სპეციფიკური ზედაპირია (100–600 მ 2/გ). ამ პრობლემის გადასაჭრელად, CNT-ები შეცვლილია ან ფუნქციონირებს. ფუნქციონალიზაციის პროცესი არის ქიმიური ტრანსფორმაცია, რომელიც იწვევს CNT ზედაპირზე აქტიური ფუნქციური ჯგუფების ფორმირებას. ნანომილების ფუნქციონალიზაციის ყველაზე გავრცელებული მეთოდია მათი დამუშავება კონცენტრირებული აზოტისა და გოგირდის მჟავების ნარევით. სურათი 10 გვიჩვენებს CNT-ების გამოსახულებებს ფუნქციონალიზაციამდე და შემდეგ კონცენტრირებული მჟავების ნარევში 2 საათის განმავლობაში.

მსგავსი დოკუმენტები

ნახშირბადის ბოჭკოების ტიპები, თვისებები, სტრუქტურა და მახასიათებლები, მათი წარმოება PAN ბოჭკოების საფუძველზე. გრაფიტიზაციისა და კარბონიზაციის პროცესების ძირითადი კანონზომიერებები. ნახშირწყალბადების ზედაპირის მოდიფიკაციის პირობების გავლენა მის აქტივობასა და ფოროვან სტრუქტურაზე.

საკურსო ნაშრომი, დამატებულია 17/02/2009

ბოჭკოების ფორმირება პოლიმერული ხსნარიდან. თხევადი ძაფის წარმოქმნა და მისი ფიქსაცია ჩამოსხმის პროცესში. ძაფის სამკურნალო ინფორმაცია. ძაფის ფიქსაცია გამხსნელის აორთქლების დროს. დიფუზიის პროცესი ბოჭკოების ფორმირებაში. ბოჭკოების ორიენტაციის გაჭიმვა.

საკურსო ნაშრომი, დამატებულია 01/04/2010

პოლიეთილენის სტრუქტურული თავისებურებების შესწავლა, რომელიც ჩნდება ორიენტირებულ ორკომპონენტიან ფილებში და ბოჭკოებში, იზომეტრულ პირობებში ანეილირების შედეგად. ორიგინალური და დამუშავებული ფილმების რენტგენის დიფრაქციული ნიმუშების შედარება. გამდნარი პოლიეთილენის კრისტალიზაცია.

სტატია, დამატებულია 02/22/2010

კრისტალიტების ორიენტაციის ბუნების შესწავლა PE ფილმში და კომპოზიციებში მათი დეფორმაციისა და ადუღების შემდეგ. ექსტრუზიის ჰომოგენიზაცია ჭია-რხევის მიქსერში. კომპოზიციების მექანიკური და რელაქსაციის თვისებები. მათი დეფორმაციის მრუდების ბუნება.

რეზიუმე, დამატებულია 03/18/2010

სინთეზური ბოჭკოების ფიზიკურ-მექანიკური და ფიზიკურ-ქიმიური თვისებები. პირველი პოლიმერული ნაერთი. სინთეტიკური ბოჭკოების მიღება და მათი კლასიფიკაცია. კარბოჯაინი და ჰეტეროჯაჭვი, პოლიაკრილონიტრილი, პოლივინილ ქლორიდი, პოლიამიდური ბოჭკოები.

პრეზენტაცია, დამატებულია 20/04/2015

ვერტიკალურად შეჩერებული აცეტატური ბოჭკოების ნიტრომეთანის ორთქლში სპონტანური დეფორმაციის პროცესი. ცელულოზის ეთერების სპონტანური გახანგრძლივების თავისებურებები. ნიტრომეთანის ორთქლში დეფორმირებული აცეტატური ბოჭკოების ძირითადი თვისებების შესწავლა.

საკურსო ნაშრომი, დამატებულია 02/01/2010

ნახშირწყალბადების კლასიფიკაცია, მათი ფუნქციური წარმოებულები. პოლიმერიზაციის რეაქციები, პოლიმერების განსაკუთრებული მექანიკური და ქიმიური თვისებები. ხელოვნური ბოჭკოების წარმოების ზოგადი პრინციპები. აცეტატური ბოჭკო, ქიმიური სტრუქტურა, წარმოება, თვისებები.

ტესტი, დამატებულია 03/29/2013

პოლიმერული ნანოკომპოზიტების კონცეფცია. ნანოდისპერსირებული დაბალი სიმკვრივის პოლიეთილენის, ცელულოზის, გააქტიურებული ნახშირბადის ბოჭკოსა და გააქტიურებული ნახშირბადის ფხვნილების ნარევებზე დაფუძნებული კომპოზიტების სორბციული თვისებების მიღებისა და შესწავლის მეთოდების შემუშავება.

ნაშრომი, დამატებულია 18/12/2012

ცელულოზაზე დაფუძნებული სპილენძ-ამიაკის ბოჭკოების მიღების ფიზიკურ-ქიმიური საფუძვლები. რეჟიმის გავლენა და დანამატების არსებობა პროდუქტის მოსავლიანობაზე და მის ხარისხზე. სპილენძის ამიაკის დაწნული ხსნარის ექსპერიმენტულად მიღება. ციკლური მრუდების CVC-ის ანალიზი.

საკურსო ნაშრომი, დამატებულია 05/01/2010

პოლიაკრილონიტრილის დაწნული ხსნარის მიღების ტექნოლოგია. ნედლეულის მახასიათებლები. აკრილონიტრილის ბოჭკოების თვისებების ცვლილებები კოპოლიმერში იტაკონის მჟავის ჩანაცვლებისას. ორგანული გამხსნელები, რომლებიც გამოიყენება პოლიაკრილონიტრილის ბოჭკოების წარმოებისთვის.

· აპლიკაციები · ტოქსიკური ეფექტები · დაკავშირებული სტატიები · კომენტარები · შენიშვნები · ლიტერატურა · ოფიციალური საიტი & middot

ნახშირბადის სხვადასხვა მოდიფიკაციის სტრუქტურის სქემები
ა: ბრილიანტი, ბ: გრაფიტი, გ: ლონსდალეიტი
დ: ფულერენი - ბაკიბოლ C 60 , ე: ფულერენი C 540, ვ: ფულერენი C 70
გ: ამორფული ნახშირბადი, თ: ნახშირბადის ნანომილაკი

მეტი: ნახშირბადის ალოტროპია

კრისტალური ნახშირბადი

ბრილიანტი
გრაფენი
გრაფიტი
კარაბინი
ლონსდალეიტი
ნანო ალმასი
ფულერენები
ფულერიტი
ნახშირბადის ბოჭკოვანი
ნახშირბადის ნანობოჭკოები
ნახშირბადის ნანომილები

ამორფული ნახშირბადი

გააქტიურებული ნახშირბადი
ნახშირი
ნამარხი ქვანახშირი: ანტრაციტი და სხვ.
ქვანახშირის კოქსი, ნავთობის კოქსი და ა.შ.
მინის ნახშირბადი
ნახშირბადის შავი
ნახშირბადის ნანოქაფი

პრაქტიკაში, როგორც წესი, ზემოთ ჩამოთვლილი ამორფული ფორმები არის ქიმიური ნაერთები ნახშირბადის მაღალი შემცველობით და არა ნახშირბადის სუფთა ალოტროპული ფორმა.

კასეტური ფორმები

ასტრალენები
დიკარბონი
ნახშირბადის ნანოკონები

სტრუქტურა

ნახშირბადის ატომის ელექტრონულ ორბიტალებს შეიძლება ჰქონდეთ განსხვავებული გეომეტრია, მისი ელექტრონული ორბიტალების ჰიბრიდიზაციის ხარისხზე დაყრდნობით. ნახშირბადის ატომის სამი ძირითადი გეომეტრია არსებობს.

ტეტრაჰედრული, წარმოიქმნება ერთი s- და სამი p-ელექტრონის შერევით (sp 3 ჰიბრიდიზაცია). ნახშირბადის ატომი მდებარეობს ტეტრაედრის ცენტრში, რომელიც დაკავშირებულია ოთხი ეკვივალენტური ბმით ნახშირბადის ატომებთან ან სხვა ტეტრაედრონის წვეროებზე. ნახშირბადის ატომის ეს გეომეტრია შეესაბამება ნახშირბადის ალმასის და ლონსდალეიტის ალოტროპულ მოდიფიკაციას. ნახშირბადს აქვს ასეთი ჰიბრიდიზაცია, მაგალითად, მეთანში და სხვა ნახშირწყალბადებში.
ტრიგონალური, წარმოიქმნება ერთი s- და ორი p-ელექტრონული ორბიტალის შერევით (sp 2 ჰიბრიდიზაცია). ნახშირბადის ატომს აქვს სამი ეკვივალენტური ბმა, რომელიც მდებარეობს იმავე სიბრტყეში, ერთმანეთის მიმართ 120° კუთხით. p-ორბიტალი, რომელიც არ მონაწილეობს ჰიბრიდიზაციაში და განლაგებულია α-ბმების სიბრტყის პერპენდიკულარულად, გამოიყენება სხვა ატომებთან α-ბმების შესაქმნელად. ნახშირბადის ეს გეომეტრია დამახასიათებელია გრაფიტისთვის, ფენოლისთვის და ა.შ.
დიგონალი, წარმოიქმნება ერთი s- და ერთი p-ელექტრონების შერევით (sp-ჰიბრიდიზაცია). გარდა ამისა, ორი ელექტრონული ღრუბელი წაგრძელებულია იმავე მიმართულებით და ჰგავს ასიმეტრიულ ჰანტელებს. დანარჩენი ორი p-ელექტრონი ქმნიან ბმებს. ნახშირბადი ატომის ასეთი გეომეტრიით ქმნის სპეციალურ ალოტროპულ მოდიფიკაციას - კარბინს.

2010 წელს ნოტინჰემის უნივერსიტეტის მკვლევარებმა სტივენ ლიდლმა და მისმა კოლეგებმა მიიღეს ნაერთი (მონომერული დილითიომეთანდიუმი), რომელშიც ოთხი ნახშირბადის ბმა ერთსა და იმავე სიბრტყეშია. ადრე „ბრტყელი ნახშირბადის“ შესაძლებლობას იწინასწარმეტყველა პოლ ფონ შლეიერი ნივთიერებისთვის, მაგრამ ის არ იყო სინთეზირებული.

გრაფიტი და ბრილიანტი

ნახშირბადის ძირითადი და კარგად შესწავლილი ალოტროპული მოდიფიკაციებია ალმასი და გრაფიტი. ნორმალურ პირობებში მხოლოდ გრაფიტია თერმოდინამიკურად სტაბილური, ხოლო ბრილიანტი და სხვა ფორმები მეტასტაბილურია. ატმოსფერული წნევისა და 1200 K-ზე მაღალი ტემპერატურის დროს ალმასი იწყებს გარდაქმნას გრაფიტად; 2100 K-ზე ზემოთ ტრანსფორმაცია წამებში ხდება. H 0 გარდამავალი - 1,898 კჯ / მოლ. ნორმალური წნევის დროს ნახშირბადი სუბლიმირებულია 3780 კ ტემპერატურაზე. თხევადი ნახშირბადი არსებობს მხოლოდ გარკვეული გარეგანი წნევის დროს. სამმაგი წერტილი: გრაფიტი-თხევადი ორთქლი T = 4130 K, რ= 10,7 მპა. გრაფიტის პირდაპირი გადასვლა ალმასზე ხდება 3000 K-ზე და 11-12 GPa წნევაზე.

60 GPa-ზე ზემოთ ზეწოლის დროს, ვარაუდობენ C III-ის ძალიან მკვრივი მოდიფიკაციის წარმოქმნას (სიმკვრივე 15-20%-ით მეტია ალმასის სიმკვრივეზე), რომელსაც აქვს მეტალის გამტარობა. მაღალ წნევაზე და შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე (დაახლოებით 1200 კ), მაღალ ორიენტირებული გრაფიტი ქმნის ნახშირბადის ექვსკუთხა მოდიფიკაციას ვურციტის ტიპის კრისტალური ბადით - ლონსდალეიტი (a = 0,252 ნმ, c = 0,412 ნმ, სივრცის ჯგუფი. P6 3 / მმკ), სიმკვრივეა 3,51 გ/სმ, ანუ იგივეა, რაც ალმასის. ლონსდალეიტი ასევე გვხვდება მეტეორიტებში.

ულტრა დახვეწილი ბრილიანტი (ნანობრილიანტები)

1980-იან წლებში სსრკ-ში დადგინდა, რომ ნახშირბადის შემცველი მასალების დინამიური დატვირთვის პირობებში შეიძლება ჩამოყალიბდეს ალმასის მსგავსი სტრუქტურები, რომლებსაც უწოდებენ ულტრა წვრილ ბრილიანტებს (UDD). დღეს სულ უფრო ხშირად გამოიყენება ტერმინი „ნანობრილიანტები“. ნაწილაკების ზომა ასეთ მასალებში არის რამდენიმე ნანომეტრი. UDD-ის ფორმირების პირობები შეიძლება განხორციელდეს ასაფეთქებელი ნივთიერებების აფეთქების დროს მნიშვნელოვანი უარყოფითი ჟანგბადის ბალანსით, მაგალითად, TNT-ის ნარევები RDX-თან. ასეთი პირობები შეიძლება განხორციელდეს აგრეთვე ციური სხეულების დედამიწის ზედაპირზე ზემოქმედების დროს ნახშირბადის შემცველი მასალების (ორგანული ნივთიერებები, ტორფი, ქვანახშირი და ა.შ.) არსებობისას. ამრიგად, ტუნგუსკას მეტეორიტის დაცემის ზონაში UDD-ები აღმოაჩინეს ტყის ნაგავში.

კარაბინი

ექვსკუთხა სინგონიის ნახშირბადის კრისტალურ მოდიფიკაციას მოლეკულების ჯაჭვის სტრუქტურა ეწოდება კარბინი. ჯაჭვები არის პოლიენი (-CC-) ან პოლიკუმულენი (=C=C=). ცნობილია კარაბინის რამდენიმე ფორმა, რომლებიც განსხვავდება ერთეულ უჯრედში ატომების რაოდენობით, უჯრედის ზომითა და სიმკვრივით (2,68-3,30 გ/სმ). კარბინი ბუნებაში გვხვდება მინერალური ქაოიტის სახით (თეთრი ზოლები და გრაფიტში ჩანართები) და მიიღება ხელოვნურად - აცეტილენის ჟანგვითი დეჰიდროპოლიკონდენსაციის გზით, ლაზერული გამოსხივების მოქმედებით გრაფიტზე, ნახშირწყალბადებიდან ან CCl 4 დაბალი ტემპერატურის პლაზმაში.

კარბინი არის შავი ფერის წვრილად კრისტალური ფხვნილი (სიმკვრივე 1,9-2 გ / სმ), აქვს ნახევარგამტარული თვისებები. მიიღება ხელოვნურ პირობებში ნახშირბადის ატომების გრძელი ჯაჭვებისაგან, რომლებიც ერთმანეთის პარალელურად არის დაწყობილი.

კარბინი არის ნახშირბადის წრფივი პოლიმერი. კარაბინის მოლეკულაში ნახშირბადის ატომები დაკავშირებულია ჯაჭვებში მონაცვლეობით ან სამმაგი და ერთჯერადი ბმებით (პოლიენის სტრუქტურა) ან მუდმივად ორმაგი ბმებით (პოლიკუმულენის სტრუქტურა). ეს ნივთიერება პირველად მიიღეს საბჭოთა ქიმიკოსებმა ვ.ვ.კორშაკმა, ა.მ.სლადკოვმა, ვ.ი.კასატოჩკინმა და იუ.პ.კუდრიავცევმა 1960-იანი წლების დასაწყისში. სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის ორგანოელემენტური ნაერთების ინსტიტუტში. კარბინს აქვს ნახევარგამტარული თვისებები და სინათლის გავლენის ქვეშ, მისი გამტარობა მნიშვნელოვნად იზრდება. პირველი პრაქტიკული გამოყენება ეფუძნება ამ თვისებას - ფოტოცელებში.

ფულერენი და ნახშირბადის ნანომილები

ნახშირბადი ასევე ცნობილია კასეტური ნაწილაკების სახით C 60 , C 70 , C 80 , C 90 , C 100 და მსგავსი (ფულერენები), და დამატებით გრაფენები, ნანომილები და რთული სტრუქტურები - ასტრალენები.

ამორფული ნახშირბადი (სტრუქტურა)

ამორფული ნახშირბადის სტრუქტურა ეფუძნება ერთკრისტალური (ყოველთვის შეიცავს მინარევებს) გრაფიტის უწესრიგო სტრუქტურას. ეს არის კოქსი, ყავისფერი და მყარი ნახშირი, ნახშირბადის შავი, ჭვარტლი, გააქტიურებული ნახშირბადი.

გრაფენი

მეტი: გრაფენი

გრაფინი არის ნახშირბადის ორგანზომილებიანი ალოტროპული მოდიფიკაცია, რომელიც წარმოიქმნება ერთი ატომის სისქის ნახშირბადის ატომების ფენით, რომელიც დაკავშირებულია sp ბმების საშუალებით ექვსკუთხა ორგანზომილებიან კრისტალურ გისოსად.

პორტალი სტუდენტისთვის. თვითმმართველობის ტრენინგი