Группа учёных из Сколтеха, Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН и финского Университета Аалто разработала универсальный и простой метод получения нанокомпозитов с углеродными нанотрубками, уплотнив для этого доступный на рынке порошок нанотрубок в брикеты. Полученные с использованием брикетов нанокомпозиты по своим характеристикам не уступают материалам из полимерных концентратов, которые значительно дороже в производстве. О новом методе сообщается в журнале Carbon.
«Мы считаем, что использование брикетов из уплотнённых углеродных нанотрубок может существенно ускорить развитие индустрии композитов на основе углеродных нанотрубок. Наш метод не требует больших затрат и может использоваться для широкого спектра полимерных матриц с сохранением электрических и тепловых свойств конечного материала», — рассказал ведущий автор исследования аспирант Сколтеха Хассаан Батт.
Благодаря уникальному сочетанию высокой электропроводности и теплопроводности, а также механических свойств, нанотрубки уже несколько десятилетий являются предметом активных исследований как в научной среде, так и в промышленности. Вместе с тем получившие широкое распространение полимерные нанокомпозиты на основе углеродных нанотрубок в обозримом будущем могут прочно войти в нашу повседневную жизнь, что вполне объяснимо: добавление в полимер нанотрубок в минимальных количествах не только придаёт материалу принципиально новые свойства, такие как электропроводность и пьезорезистивность, но и значительно улучшает его теплопроводность и механические характеристики.
Представленное в журнале Carbon исследование первоначально задумывалось как попытка добиться большей дисперсии углеродных нанотрубок внутри полимера для улучшения свойств композита. Для этой цели учёные Сколтеха и их коллеги из ИОНХ РАН решили применить метод, основанный на быстром расширении сверхкритических флюидов (он известен по англоязычной аббревиатуре RESS), ведущий к деагломерации нанотрубок, однако улучшения свойств полимерных нанокомпозитов не добились. Тогда было решено подойти к вопросу с противоположной стороны.
Один из авторов и основных исполнителей работы, аспирант Сколтеха Илья Новиков, рассказывает:
«Убедившись, что в результате быстрого расширения суспензии нанотрубок их насыпная плотность уменьшается в 10 раз, но свойства композита при этом не меняются, мы решили пойти от обратного и попробовали уплотнить порошок в надежде, что сжатие не приведёт к ухудшению характеристик материала. Мотивация также состояла в том, что более высокая плотность упаковки нанотрубок должна упростить условия производства и решить проблему их нежелательной аэрозолизации, которая создаёт риски для здоровья персонала».
Авторы кардинально изменили вектор исследования, сосредоточившись на изучении влияния плотности порошка углеродных нанотрубок на свойства итогового материала. Для увеличения насыпной плотности исходные порошки нанотрубок спрессовали пневматическим способом, а затем тщательно проанализировали свойства эпоксидных нанокомпозитов, полученных из порошков четырёх типов: исходного, «распушённого» методом RESS, спрессованного в брикеты и стандартного концентрата в виде нанотрубок, предварительно диспергированных в полимере производителем. Учёные с удивлением обнаружили, что все исследуемые свойства, включая морфологию, электропроводность, теплопроводность и термическую стабильность, у всех четырёх композитов оказались одинаковыми, вне зависимости от насыпной плотности нанотрубок.
«Как это ни удивительно, но у всех полученных композитов практически одинаковыми оказались не только электрические, но и тепловые свойства. Мы смогли это объяснить сходным пространственным распределением нанотрубок в эпоксидной смоле. Но что ещё интереснее — получается, наши брикеты ничуть не уступают по своим свойствам довольно дорогому и подходящему лишь для конкретного полимера промышленному концентрату. При этом брикеты гораздо удобнее и безопаснее в использовании, чем порошок исходной плотности и тем более распушённый», — прокомментировал результаты исследования его руководитель, профессор Сколтеха Альберт Насибулин.
Углеродные нанотрубки — сверхлёгкий материал, подверженный самопроизвольной аэрозолизации. Из-за этого с ним тяжело работать и возникают дополнительные риски с точки зрения охраны здоровья персонала. Предложенные авторами исследования брикеты — простое, дешёвое и масштабируемое решение этой ключевой для изготовления нанокомпозитов в лабораториях и на производстве проблемы, которое выросло из попытки преодолеть совсем другую технологическую трудность.