Полимерные слоистые нанокомпозиты

Нанокомпозиты на основе природных слоистых силикатов и на основе монтмориллонита. Анализ методов синтеза полимерных нанокомпозитов. Перспективы производства полимерных нанокомпозитов. Свойства нанокомпозитов кремния. Структура слоистого силиката.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

ВОЛЖСКИЙ ФИЛИАЛ

Полимерные слоистые нанокомпозиты

Работу выполнили:

Студенты 2-го курса группы 11-1В

Погодина Евгения, Мингазова Эльвира

Научный руководитель:

кандидат химических наук,

доцент Старикова Мария Сергеевна

Волжск, 2013 г

Содержание

Введение

Глава 1. Полимерные нанокомпозиты

1.1 Нанокомпозиты на основе природных слоистых силикатов

1.2 Методы синтеза полимерных нанокомпозитов на основе слоистых силикатов

1.3 Полимерные нанокомпозиты на основе монтмориллонита

Глава 2. Свойства полимерных нанокомпозитов

Выводы

Список литературы

Введение

Актуальность проблемы

Новые, ранее не известные свойства материалов и систем, возникающие при переходе к наномасшатабам составляют фундаментальный базис развития современного материаловедения наноматериалов. Наноструктурирование имеет решающее значение для разработки и изготовления, отличающихся малым удельным весом и высокой прочностью термически устойчивых материалов для наземного транспорта, самолетов, ракет и субмарин.

Синтез и исследование свойств полимерных нанокомпозитов и наногетерогенных смесей полимеров являются приоритетными и актуальными направлениями современной науки в связи с уникальными свойствами наноструктурированных материалов.

В последнее время многослойные нанокомпозиты на силикатной основе привлекают большое внимание, поскольку изготавливаются с помощью простого и рентабельного метода, позволяющего совершенствовать свойства полимеров за счет добавления небольшого количества подходящих специально подобранных наполнителей (органоглин). За счет этого образуются композитные материалы, в которых армирующие частицы распределяются в полимерной матрице на наноразмерном уровне.

Полимерные нанокомпозиты имеют уникальные свойства и находят широкое применение во многих областях науки и техники. При решении задач охраны окружающей среды, в медицине, в процессах очистки и осушки углеводородных газов незаменимыми являются эффективные сорбенты, в том числе и полимерные нанокомпозиты, полученные на основе доступного сырья.

Цель данной работы показать перспективы производства полимерных нанокомпозитов, изучить свойства полимерных нанокомпозитов кремния на основании обобщающего анализа и систематизации сведений о наноматериалах, полученных из научных статей, докладов, теоретического материала.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

· рассмотреть структурные особенности, химические и физические свойства различных видов нанокомпозитов с акцентом на исследования, проводимые российскими и зарубежными учеными; выяснить механизм синтеза подобных соединений;

· обобщить и систематизировать полученные сведения о нанокопозитных материалах;

· проанализировать перспективы применения полимерных нанокомпозитов.

Практическая значимость

В последние десятилетия стремительно развиваются исследования по разработке новых полимерных композиционных материалов, содержащих наноразмерные частицы (НРЧ) металлов или их оксидов, а также наноструктурированных гибридных органо-неорганических композитов.

Синтез таких композитов в значительной мере связан с перспективностью создания на их основе разнообразных устройств, в частности оптического назначения: миниатюрных переключателей, сенсоров, модуляторов, высокоскоростных оптических приборов, компонентов так называемых «случайных» лазеров, а также устройств для трехмерной оптической записи информации. В отличие от материалов, содержащих НРЧ в неорганических носителях, нанокомпозиты на основе органических полимеров обладают формуемостью, обеспечивающей легкость изготовления деталей заданной формы.

Структура и объем работы. Работа изложена на 21 странице, включает 4 рисунка и состоит из содержания, введения, двух глав, выводов, списка цитируемой литературы, содержащего 38 библиографических ссылок.

В первой главе содержатся теоретические сведения о нанокомпозитах, рассмотрены проблемы и возможности их применения, представлен сравнительный анализ свойств различных нанокомпозитных материалов.

Во второй главе представлено описание синтеза и свойства материалов (обзор), полученных с применением наночастиц кремния и других элементов.

В заключении представлены основные выводы по работе, рассмотрены перспективы применения полимерных нанокомпозитных материалов.

Глава 1. Полимерные нанокомпозиты

Одним из перспективных направлений в науке о полимерах и материаловедении последних лет является получение органо-неорганических полимерных нанокомпозитов, обладающих заданным комплексом свойств [1]. Нанокомпозиты объединяют в себе такие химические, физические и механические свойства, которые не могут быть достигнуты при введении неорганических наполнителей с макро- или микроскопической структурой.

1.1 Нанокомпозиты на основе природных слоистых силикатов

Интеркаляция в неорганические слоистые материалы типа глинистых минералов - превосходный путь конструирования новых органо-неорганических наноансамблей - супрамолекулярных образований с оригинальной молекулярной структурой [2, 3]. Такой подход вызывает разносторонний интерес. Во-первых, предоставляется практическая возможность создания послоистых нанокомпозитов. Во-вторых, он важен своей необычной интеркаляционной физикохимией и ее проявлением в приобретении системами улучшенных физико-химических свойств. Кроме того, изучение таких продуктов может дать важную информацию о природе химических взаимодействий в них, специфике адсорбции полимеров на наноразмерных частицах и т. п.

Полимерные нанокомпозиты на основе силикатов слоистого типа содержат молекулы полимера, внедренные в межслоевое пространство. В соединениях внедрения молекулы-«гости» со структурой «сандвича» и одномерные канальные вещества (тубулаты) располагаются в кристаллографических пустотах матрицы - «хозяина». Внедрение полимерных молекул, приводящее к «гибридам включения», может проходить в ходе замены гидратированных молекул, находящихся в межслоевом пространстве, молекулами полимеров, содержащих функциональные группы. Нанодисперсное распределение в этом случае достигается путем предварительной модификации поверхности неорганического материала - слоистого силиката.

Природные слоистые силикаты, обычно используемые в нанокомпозитах в качестве наномерных частиц, принадлежат к структурному семейству типа 2:1. В слоистых силикатах тина 2:1 октаэдрическая сетка заключена между двумя сетками кремнекислородных тетраэдров. Главные элементы структуры - кремнекислородный ион SiO₄ и алюмокислородный ион Аl(О, ОН)₆ [4, 5]. Строение природных глин, особенно ММТ, и их основные физико-химические свойства, природа активной поверхности изучены давно и достаточно детально [6].

Кристаллы ММТ состоят из чередующихся слоев катионов и отрицательно заряженных слоев силикатов (рис.1.1). Каждый слой находится на расстоянии от другого слоя, определяемом ван-дер-ваальсовыми силами, и образует межслоевое пространство или галерею. Галереи, как правило, содержат катионы, компенсирующие отрицательный заряд, сформированный изоморфной заменой атомов, образующих кристалл (Mg²⁺ на месте Al³⁺ в монтмориллоните или Li⁺ вместо Mg²⁺ в гекторите). В основном это катионы гидратированных щелочных или щелочноземельных металлов.

полимерный слоистый нанокомпозит силикат

Рис.1.1 Структура слоистого силиката

Частичный положительный заряд, сформированный на каждом катионе внутри галереи, делает его гидрофильным. Монтмориллонит, например, обладает значительной энергией гидратации. Благодаря этому в галереях может удерживаться большое количество молекул воды, что в свою очередь позволяет нейтрализовать частичный заряд за счет ион-дипольного взаимодействия [7].

Гидрофильность алюмосиликатов является причиной их несовместимости с органической полимерной матрицей -- это основная проблема, которую приходится преодолевать при создании полимерных нанокомпозитов.

Модификация алюмосиликатов может быть осуществлена путем замещения неорганических катионов внутри прослоек органическими катионами. Замещение катионными поверхностно-активными веществами, такими, как объёмные аммоний- и фосфоний-ионы, увеличивает пространство между слоями, уменьшает поверхностную энергию глины и придает поверхности глины гидрофобный характер (рис. 1.2.) [8].

Размещено на

Размещено на

Рис. 1.2 Схема, представляющая процесс катионообменной реакции между силикатом и алкиламмониевой солью

В результате образуется органический или неорганический материал, называемый «интеркалированным гибридом», а метод получения, основанный на этом принципе, стал известен как ио...