[an error occurred while processing the directive]

Где применяются нанокомпозиты

<< Назад

Технологии

Исследование применений показало, что наноструктурированные наполнители пластиков, такие как модифицированные монтмориллониты (наноглины), позволяют уменьшить массу и снизить затраты по сравнению с большим количеством традиционного наполнителя. К числу дополнительных преимуществ относятся: улучшение механических свойств, устойчивость к образованию царапин, улучшение барьерных свойств, огнестойкости и более простая обработка. Самые заметные выступления на конференции были посвящены маточным смесям, которые более эффективно диспергируют наноглины, более широким возможностям для образования компаундов, новому методу инфракрасного испытания для измерения дисперсии наноглин, новым синтетическим нанонаполнителям, отчетам о композитах из ПВХ и ПЭ, а также нежелательным побочным реакциям наноглин.


Компания Süd-Chemie сообщила, что создание компаунда и технологии обработки составляют более 50% успеха. Поэтому она работает в сотрудничестве с производителями маточных смесей, такими как: Dolder AG в Базеле, Швейцария и Keng & Keng, Тайбэй, Тайвань.


Карл Камена из компании Southern Clay сделал обзор наноглин и нескольких применений нанокомпозитов для автомобильной промышленности и отрасли, производящей покрышки. Компания InMat Inc. использует наноглины от Southern Clay для производства покрытий для упаковочной промышленности.


Компания Nanocor сообщила о нанокомпозитном концентрате полиамида с 20% наполнением наноглиной с помощью полимеризации непосредственно на месте, а также о маточных смесях с 50% наполнением наноглиной, создаваемых из расплава.


Компания Laviosa, производитель наноглин из Италии, представила обзор по промышленному производству чрезвычайно чистых наноглин. Производимая ими линия продукта Dellite не содержит никаких примесей благодаря исключительно мощному процессу центрифугирования.


Компания Elementis Specialties, поставщик модифицированных монтмориллонитов и модифицированных гекторитов, описала испытание новой инфракрасной спектроскопии для дисперсии и ориентирования наноглин в полимерной матрице. Существующая за счет инфракрасного поглощения силиконо-кислородными связями в наноглине широкая полоса спектра поглощения означает аггломерацию. Полоса, которая сужается и образует пик, означает расщепление. Метод Elementis Specialties позволяет также измерять ориентацию глины, которая представляет собой важную информацию для барьерных свойств. По утверждению компании, альтернативные методы испытания, такие как электронная микроскопия и рентгенографический дифракционный анализ, значительно сложнее и дают менее наглядные результаты.


Гюнтер Бейер из компании Kabelwerk Eupen AG сообщил о проблемах с созданием нанокомпозитов на основе ПЭ или ПВХ для производства огнеупорных кабелей. Компания известна как технический лидер в данной области. Д-р Бейер сообщил, что ПЭ без других компонентов исключительно трудно использовать в качестве полимерной матрицы из-за его неполярности. Также маточные смеси на основе наноглин не генерировали нанокомпозитов из ПЭ. Для ПВХ компаунд с четвертичным аммонием в глине инициировал нежелательную реакцию с выделением хлороводорода, что в результате дало темные цвета и снижение тепловой стабильности. Маточная смесь наноглин на основе этиленвинилацетата или термопластичного полиуретана предотвращала такую нежелательную побочную реакцию, но уменьшения выхода тепла не было отмечено. Бейер также сообщил о сокращении срока существования нанокомпозитов, и рекомендовал осуществлять дополнительную стабилизацию при реализации конкретных технических применений.


Компания Basell рассказала о получении полипропиленовых нанокомпозитов с помощью смешивания в расплаве ПП и ПП, прошедшего привитую сополимеризацию, а также наноглины. Улучшение свойств может представлять интерес для текстильной, и автомобильной промышленности, а также для отрасли производства пленок.


Производитель автомобилей Ford Motor Company отметила, что рассеивание заряда является самым важным применением нанонаполнителей при производстве автомобильных деталей. Другими применениями являются топливная система и электростатическая окраска. Для того чтобы быть конкурентоспособной альтернативой традиционным наполнителям, нанонаполнители должны обеспечивать очень существенное улучшение механических свойств при очень небольшом наполнении и по умеренной цене.


Компании BYK Chemie и Umicore сообщили об использовании, наряду с хорошо известными применениями наноглин в качестве нанонаполнителей, наноразмерных оксидов и металлов при производстве красок, косметических средств, покрытий и т. д. Наиболее значительным применением является создание прозрачных компонентов с долговременной ультрафиолетовой стабильностью.
Валья Эверерт из компании Centexel представил обзор применений полипропиленовых и полиамидных нанокомпозитов, используемых в текстильной промышленности. Основными факторами для осуществления успешных разработок являются выбор подходящего наполнителя и правильных технологических этапов.


Базовый химический состав


Механические и трибологические свойства DLC-пленок в значительной степени зависят от их базового химического состава, в особенности, содержания водорода и соотношения sp/sp связей. Тем не менее, эти два параметра сложно изучить по отдельности, так как сложно создать пленки, в которых один из этих параметров изменяется независимо от другого.


Были сделаны попытки провести несколько первоначальных исследований с использованием алмазных игл АСМ. Группа Жиянга (Jiang) измерила жесткость на наноуровне, износ и трение на тонких DLC пленках с магнетронным распылением. Используя концентрации водорода на уровне примерно 2 at. %, 28 at. %, и 40 at. %, они обнаружили, что при высокой концентрации водорода коэффициент трения увеличивается, а характеристики жесткости и износа снижаются. К сожалению, соотношения sp/sp связей в пленках не были указаны.


В связанном исследовании, которое было проведено на макроуровне, коэффициенты макроскопического трения для DLC пленок, созданных аналогичным образом, были самыми низкими в тех случаях, когда пленки создавались при содержании водорода примерно 25%. Это позволяет предположить, что может существовать оптимальная концентрация водорода. На самом деле, самого низкого уровня трения и износа в NFC пленках можно достичь при оптимальной промежуточной концентрации водорода. Было бы желательно провести дальнейшие исследования этого эффекта.


DLC пленки, созданные с использованием техники химического осаждения из микроволнового плазменного разряда (MPCVD), испытывались на функцию H2 (g) в плазме. При увеличении концентрации H2 (g) в плазме усиливается разрушение sp связей, ослабевает трение и увеличивается характеристика износа, которые измеряются АСМ с алмазной иглой. К сожалению, не проводилось измерение ни процентного содержания водорода в пленке, ни соотношения sp/sp связей. Поэтому наблюдаемые эффекты нельзя с уверенностью связывать со структурой пленки.


Очевидно, что количество водорода и соотношение sp/sp связей влияют на нанотрибологию. Тем не менее, в детальные всесторонние исследования необходимо включить независимое изменение этих параметров в целях объяснения их индивидуального вклада в механическое и трибологическое поведение.


Была сделана попытка изучить воздействие соотношения sp/sp связей в аморфном углероде (a-C) напрямую. Для этого DLC пленки с содержанием sp связей на уровне 34% или 53% размещали в системе напыления импульсным лазером (PLD). В соответствии с ожиданиями, жесткость и модуль упругости усиливаются вместе с увеличением sp-содержания. Но в этом случае на трение, при скольжении иглы из Si3N4 через каждую поверхность, воздействие не оказывается.


Пленки из CNx создавались с различным содержанием азота (0.2 < × < 0.3, соответствует содержанию sp связей на уровне 36–53%). И вновь, сопротивление скольжению не зависит от соотношения sp/sp связей. В целом, DLC пленки демонстрируют более высокое трение на наноуровне, чем пленки из CNx. Обе пленки демонстрируют значительно более высокий уровень трения, чем HOPG (на порядок).


Група Гао (Gao), которая также изучала вариации соотношения sp/sp в DLC, осуществила МД симуляции. Было обнаружено, что это соотношение само по себе не определяет механические свойства пленок. Скорее следует рассматривать трехмерную структуру этих связей. Например, пленки с sp-гибридизированным кольцами, ориентированными перпендикулярно подложке, могут иметь более высокие постоянные упругости, чем пленки с более высоким содержанием sp связей. Когда две поверхности, состоящие из sp-, sp- и sp- гибридизированных связей, скользят друг против друга, наблюдается, что из всех ступающих в реакцию компонентов в наибольшей степени за трибохимию и износ ответственны атомы углерода с sp-связями (Рис. 9). Это доказывает, что трибохимические реакции, идущие внутри химического состава пленки и по границе скольжения, влияют на определение трибологической характеристики.


Было обнаружено, что добавление фтора изменяет гидрофобность DLC пленок, что также влияет на фрикционные характеристики. Использование процесса химического осаждения из газовой фазы (CVD), повышающего концентрацию F, увеличивает угол контакта с водой (от 72–95°, при увеличении содержания F с 0–35 атомных процентов). Соответственно, адгезия и трение, измеренные АСМ в условиях окружающего воздуха, ослабевают по мере увеличения угла контакта. Ослабление адгезии может быть вызвано уменьшением капиллярного взаимодействия, но присутствие капилляра непосредственно не наблюдалось. В любом случае, это демонстрирует то серьезное воздействие, которое силы адгезии оказывают на трение на наноуровне.


Новые перспективы, открывающиеся в результате этих исследований, показывают, что для систем твердого углерода химический состав поверхности доминирует в трибологии при отсутствии износа, а базовый химический состав имеет большее значение после преодоления порога износа.

<< Назад