Металполимерлік нанокомпозиттер немесе металполимерлер

1. Жалпы мағлұмат

2. Нанокомпозиттер. Нанокомпозиттердің қалыптасуы

1. Жалпы мағлұмат

Бір материалда полимер қасиеті мен қатар металл қасиетін де сыйыстыру мүмкіндігі және осы қасиеттерді концентрациялық өзгерістер арқылы реттеу мәселесі ертеден бері талқыланып келеді. Полимер-иммобилизирленген наноөлшемді және кластерлі металл бөлшектері туралы ғылымның дамуы химия, физика және материалтанудың көптеген облыстарында осы мәселеге деген үнемі өсіп өсіп тұратын қызығушылықпен ынталандырылады. Осы күннің өзінде таңқаларлық механикалық, электрофизикалық, магниттік, оптикалық, каталитикалық және биологиялық қасиеттерге ие өнімдер қатары жасалынған. Осы бағыттың қалыптасу жолында екі кезеңді атап көрсетуге болады. Алғашында назар металдың ультракішкене бөлшектерінің синтезінің қолайлы әрі өнімді әдісін жасап шығаруға, оларды жетілдіріп практикалық қолданысқа дейін енгізуге аударылған болса, зерттеудің екінші кезеңі металдың наноөлшемді бөлшектерін полимер көмегімен стабилизациялаудың эффективті жолдарын анықтаумен байланысты.

Соңғы жылдары елімізде сонымен қатар шетелдерде де электронды техникаға арналған полимер негізіндегі жаңа типті материалдарды жасап шығару бойынша зерттеу ізденістері қарқынды түрде даму үстінде.

Жаңа технологияның дамуы жоғары молекулалық қосылыстар химиясы алдына жаңа спецификалық қасиеттерге ие полимерлік материалдар жасау мәселесін қояды. Полимерлерге тән артықшылықтарды (төмен меншікті салмақ, жоғары эластикалық және беріктік) металдар мен неорганикалық қосылыстарға тән электрөткізгіштік, магниттік, антифрикциондық, каталитикалық сияқты және т.б қасиеттерімен үйлестіру қажеттілігі туды.

Приципті түрде мұндай полимерлік материалдарды алудың екі жолы белгілі: берілген қасиеттердің кейбіреулеріне ие жаңа полимерлердің синтезі мен құраушы компоненттіріне тән бірқатар бағалы қасиеттерге ие толтырылған полимерлерді алу.

Қазіргі таңда ғылыми зерттеудің екі бағыты да қарқынды зерттелуде, дегенмен кең қолданысқа табиғати бойынша әрқилы болып келетін толтырмалары бар полимерлер ие болып отыр.

Полимердің нанобөлшектермен әрекеттесуі принципиалды әртүрлі екі әдіспен іске асырылады - физикалық (Ван-дер-Ваальс күштерімен, дипольдік әрекеттесулермен не әлсіз, оңай бұзылатын сутектік байланыстармен шартталған процестер) немесе химиялық адсорбция жолы арқылы. Полимер көбінесе тек қана стабилизирлеуші концентрацияларда ғана емес, сонымен қатар ингредиентті концентрацияларда да кеңінен қолданылады екен. Соңғы жағдайда металполимерлік нанокомпозиттер туралы айтылып отыр.

Қазіргі таңда өнеркәсіпте металполимерлік композицияларды алу үшін араластыра отырып полимер балқымасына енгізетін ірі бөлшекті металл ұнтақтарын қолданады. Бірақ, мұндай әдіс арқылы бөлшектердің полимер көлемі бойынша біркелкі таралуына қол жеткізу мүмкін болмайды, ал мұның салдарынан, қағида бойынша, композицияның беріктік сипаттамалары нашарлайды.

Полимер ортасында жоғары дисперсті металл бөлшектерінің қалыптасуы олардың жаңа түзілген бетінің полимер макромолекулаларымен хемосорбциялық әрекеттесуімен жүреді. Мұндай жүйелер қарапайым толтырылған полимерлерге алдында бірқатар артықшылықтарға ие болды және металполимерлер деп аталып кетті.

Полимерлерді толтыру тек қана жаңа қасиетті материалдарды алуға емес, сонымен қатар олардың физика-механикалық және физика-химиялық сипаттамаларын бағытты түрде өзгертуге де мүмкіндік береді. Сыртқы түрінің біршама жақсаруы мен пластмасс бұйымдарының да арзандауына септігін тигізеді.

Металмен толтырылған полимерлер жоғарыда көрсетілген артықшылықтардан басқа да тек қана минералды толықтырғышы бар полимерлерге тән тағы бірқатар спецификалық қасиеттерге (электрлік, магниттік, каталитикалық) ие. Бұдан басқа, толтырылған полимерлік бұл екі топ бір-бірінен қатты дене-полимер шекарасында әрекеттесудің табиғаты және механизмі бойынша ерекшеленеді.

Полимерлерді толтыру үшін, әдетте, полимермен механикалық араласатын ірі дисперсті ұнтақтарды қолданады. Ал толықтырғыш бөлшектері полимер ортасында біртекті таралатын агрегаттар түзеді.

Соңғы жылдары металмен толтырылған полимерлік жүйелерді алудың және олардың қасиеттерін зерттеудің жаңа әдістерінің жүйелік зерттеулері жүргізілген болатын. Бұл әдістердің мәні металдардың ірі дисперсті бөлшектері дайын түрінде енгізілмей, полимер ортасының өзінде қалыптасатындығында болды.

Түзілу сәтінде беттегі активті орталықтары бар металл бөлшектері полимер макромолекулаларымен хемосорбциялық әрекеттесуге түседі, ал олар түзілетін ортада екіфазалы агрегатты полимер ортасында металдың ірі дисперсті бөлшектерінің максималды таралуымен тұрақты жүйелердің пайда болуына әкеліп, металполимерлер делінді.

Нанохимия

Наноқұрылымды жүйелердің қасиеттері мен мінез-құлқын зерттеумен айналысатын химия облысы нанохимия деген атауды иемденді. Соңғы он жылдықта ақпараттардың көбеюіне байланысты нанохимия өзінің терминологиясы мен нақты түсініктері бар құрылымданған ғылымға айналды. Нанохимяның екі маңызды түсінігі қалыптасты - нанобөлшек және нанореактор.

Өз кезегінде мұндай жоғары технологияларға өту функционалды параметрлері керекті формада қалыптасатын микрооблыстар мен атомды, молекулярлы, моноқабаттар мен нонокөлемдерде жүретін процестермен анықталатын принципиалды жаңа конструкциялық материалдарды жасауды талап етеді.

Мұндай деңгейдегі дизайн кластерлі молекулалар мен нанометрлік өлшемді ультракішкентай металл бөлшектерінің наноөлшемді бөлшектерінің (НӨБ) қатысуымен ғана іске асырылуы мүмкін.

Нанобөлшек жоғарыда көрсетілген интервалда болатын өлшеммен сипатталса, нанореактор түсінігі нанобөлшек функциясын, яғни реакциялық қабілеті, қасиетінің және т.с.с. өзгерісімен байқататын эффектілерді анықтайды. Егер бос кеңістікке орналастырылған не сонда болатын заттар қасиеттердің және реакцияға қабілеттіліктің аномалиясын анықтаса, нанореакторлар деп кеуекті материалдардағы нанометрлік өлшемді бос кеңістіктерді де атауға болады.

НӨБ екі типін ажыратады: құрылымы жинақталған бөлшектер, ережеге сай, 38-40 кейде одан да артық металл атомдары (өлшемдері 1÷10нм) болып кластерлер деп те аталатын және диаметрлері 10÷50 нм, 10³ ÷ 10⁶ атомдардан тұратын шынайы НӨБ.

Қазіргі таңда зерттеушілердің нанобөлшек синтезі мәселесін мен олардың қасиеттерін зерттеуге деген қызығушылықтарының артып отырғанын айта кеткен дұрыс. Нанобөлшекетер синтезіне әртүрлі әдістерінің егжей-тегжейлі сараптамаларына, ал қасиеттеріне арналған, дегенмен, бұл бөлшектердің наноқұрылымды полимерлік қоршаудағы қалыптасу процесінің жүйелік қаралуы жүргізілмеген болатын. Полимерлік композиттегі наноқұрылым түсінігі наноөлшемді тұрақты микрогетерогендер дегенді сипаттайды. Осы наноқұрылымның арқасында нонобөлшектердің өсуі мен олардың өлшемдері бойынша орналасуын бақылау мүмкіндігі туады.

Наноқұрылымдардың полимерлік жүйелерде қалыптасу мүмкіндігін сараптамалай келе, бірінші кезекте полимерлік молекулалардың құрылу ерекшеліктеріне мән беру қажет.

Сызықты	Тармақталған	Дендритті	Тігілген
Икемдітізбекті     Қатаңтігілген     Циклді   Полиротаксандар	Статистикалық қысқатізбекті тармақталу   Статистикалық ұзынтізбекті тармақталу   Жүйелі жотатәріздес   Жүйелі жұлдызтәріздес	Аса тармақталған     Монодендрондар   Дендримерлер	Әлсіз тігілген   Нық тігілген   Өзараенгіш торлар

1 сурет. Молекула құрылуының негізгі типтері

Дисперстілік дәрежесі олардың химиялық активтілігіне айтарлықтай әсерін тигізеді, металл бөлшектерінің саны өскен сайын олардың қасиеттері өзгере түседі. Бөлшектердің өлшемі бойынша үш типке классифицирлеуге болады [21]: наноөлшемді (ультрадисперсті) (1 - 30÷50), жоғарыдисперсті (30 ÷ 50 - 100÷500 нм), микронды өлшемді бөлшектер (флокулдар, 100 ÷500 - 1000 нм). Соңғысы, ережеге сай, фрактальді типті моно- және поликристадар түрінде болатын жеке бөлшектер және олардың агломераттарынан құралған.

2 сұлба жалғызданған, жеке атомның кластерлік, наноөлшемді және коллоидты бөлшектер арқылы блокты металға айналуының негізгі кезеңдерін суреттейді:

Металл атомы Кластер Нанобөлшек Коллоид Блокты металл

0,1нм 1нм ~10нм ~10² нм >>10³ нм

Басқаша айтқанда, өлшемдердің ось шетімен қозғалысы нөль валентті күйдегі жеке атомнан (М) компактты металдың қасиеттеріне ие металл бөлшектерге дейін жүйе бірқатар аралық кезеңдерден өтеді. Олардың негізгісі кластертүзілу мен металды НӨБ қалыптасуы болып табылады.

«Металдық» термині металл мен оның жеке бөлек атомдары арасындағы аралық бөлшектердің табиғатын емес, ол тек қана оның құрамына ғана меңзейді; бейнелеп жеткізетін болсақ, «кластерлер-металл эмбриондары». Әрине, мұндай сұлба ј-мерлерді құруға қатысатын атома сандарының қарапайым механикалық өсуін ғана бейнелейді.

Дегенмен, полимер мен НӨБ арасындағы әрекеттесу деңгейін анықтайтын сипаттамалық факторы болып полимерлердің функционалдық топтарының қатысуымен әртүрлі құрамды комплектердің қалыптасуы табылады. Матрица мен НӨБ арасында химиялық әрекеттесу дәлелденген не болжанған жағдайда мұндай жүйелерді полимер-иммобилизацияланған деп атайды.

Дата добавления: 2014-01-11