нанотехнологии

Данные по производству, видимо, не включают так называемые газофазные нановолокна, производство которых одной только японской компанией Showa Denko (Шова Дэнко) ведется в объеме не менее 60 т/год.

Ускоренными темпами растет производство в Китае и Корее. Ожидается, что в ближайшие два года Китай превзойдет по уровню производства США и Японию. К 2010 г. основным производителем УНТ всех видов может стать Корея.

Цены на УНТ и УНВ постоянно снижаются и колеблются в зависимости от морфологии и чистоты материалов в диапазоне 0,1...500 USD/г. В ближайшие 5 лет ожидается их снижение до 100 раз. Американские специалисты несколько лет назад предсказывали еще большее снижение цен на качественные однослойные УНТ: от нынешних 400..500 USD/г до 400...500 USD/кг при массовом производстве.

В России мощности по производству УНВ по исходным данным, выданным РХТУ им.Д.И.Менделеева, созданы на тамбовском заводе Комсомолец. Совместно с ООО НТЦ ГраНаТ создается опытное производство УНТ, которое должно быть пущено во втором полугодии 2007 г. В настоящее время в разработках РХТУ им.Д.И.Менделеева основное внимание уделяется применению УНТ как наполнителей композитов и изготовлению из УНТ макроскопических материалов, включая высокопрочные волокна типа арамидных и структуры на поверхности подложек.

В частности, совместно с сотрудниками ВИАМ и ИПХФ РАН разработан метод введения УНТ в полиметилметакрилат. Композит, содержащий 0,04 мас.% трубок, имеет ударную вязкость, превышающую величину исходного полимера на 50...70%. Введение нанотрубок увеличивает температуру стеклования полимера. С использованием функциализованных и нефункциализованных УНТ синтезированы композиты с матрицей из поливинилового спирта и эпоксидной смолы. Выделены гели УНТ, с помощью которых также можно вводить нанотрубки в полимеры. Небольшие образцы УНТ и УНВ предоставляются заинтересованным российским организациям для исследований безвозмездно. По договоренности возможна поставка функциализованных УНТ и УНВ, а также устойчивых водных и органических дисперсий УНТ и УНВ.

Перспективы. Макроволокна с УНТ рассматриваются сегодня как основа для создания прежде всего уникальных по прочности и функциональным возможностям материалов и изделий:

легковесных ответственных деталей летательных аппаратов и механических устройств;

бронежилетов и касок, костюмов специального назначения со встроенными (вплетенными в ткань) нагревателями, сенсорами и актюаторами.

Возможно создание фильтротканей, способных работать в очень жестких условиях. За рубежом ведутся разработки космического лифта - троса, связывающего Землю с геостационарным спутником. По мере развития производства, снижения себестоимости и мировых цен на УНТ (что происходит очень быстро) области применения таких волокон и тканей будут значительно расширяться. Уже подсчитано, например, какой экономический эффект можно получить при замене металлических проводов ЛЭП на макроволокна из УНТ, когда такие «провода» будут производиться в достаточных масштабах. Волокна и ткани с УНТ перспективны для изготовления спортивных снарядов, в частности теннисных ракеток, бамперов и деталей автомобилей, велосипедных рам и многого другого.

ПРИМЕЧАНИЯ

1 Углеродным наноматериалам посвящена обширная научная литература, однако в сообщении цитируются только обзорные публикации автора; обращение к ним позволит найти ссылки на другие обзоры и оригинальные публикации.

2 Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. - М.: Логос. 2006.

3 Раков Э.Г. Методы получения углеродных нанотрубок // Успехи химии. -2000. - Т. 69. - № 1. - С. 41-59.

4 Раков Э.Г. Методы непрерывного производства углеродных нановолокон и нанотрубок // Хим. технология. - 2003. - №. 10. - С. 2-7.

5 Раков Э.Г. Пиролитический синтез углеродных нанотрубок и нановолокон // Росс. хим. ж. - 2004. - Т. 48. - № 5. - С. 12-20.

6 Раков Э.Г., Блинов С.Н., Иванов И.Г., Дигуров Н.Г., Ракова Е.В. Непрерывный процесс получения углеродных нановолокон // Ж.. прикл. химии. - 2004. - Т. 77. - № 2. - С. 193-196.

7 Раков Э.Г. Получение тонких углеродных нанотрубок каталитическим пиролизом на носителе // Успехи химии. - 2007. - Т. 76. - № 1. - С. 3-26.

8 Раков Э.Г. Химия и применение углеродных нанотрубок // Успехи химии. -2001. - Т. 70. - № 11. - С. 934-973.

9 Rakov E.G. Chemistry of carbon nanotubes. In: Nanomaterials Handbook. Ed. by Yu. Gogotsi. CRC. Taylor & Francis. Boka Raton, London, New York. 2006. P. 105-175.

Углеродные нанотрубки обладают уникальными механическими характеристиками, что проявляется в рекордной величине модуля Юнга индивидуальных УНТ, достигающей терапаскалей. Однако практическая реализация столь высоких прочностных свойств возможна лишь в результате перехода от образцов индивидуальных УНТ к макроскопическим объектам на их основе.

Первые шаги на пути к решению этой проблемы предприняты сотрудниками химического факультета Техасского университета в Далласе (США) (Y.H. Li et al., J. Phys.: Conf. Series 61, 698 (2007)), которые разработали процедуру получения пряжи и тканей на основе УНТ.

В качестве исходного материала для получения пряжи используется плотный массив многослойных нанотрубок высотой около 200 мкм, полученный в результате термокаталитического разложения ацетилена при температуре около 1000 К над кремниевой подложкой, покрытой наночастицами железа, которые играют роль катализатора. Для превращения такого массива в пряжу применена стандартная процедура скручивания, которая лежит в основе классического текстильного производства.

Максимально наблюдаемая жесткость полученной из массива УНТ высотой 550 мм пряжи, определяемая как удельная энергия, затрачиваемая на ее разрыв, составляет 27 Дж/г, что сопоставимо с соответствующей величиной (33Дж/г) для углеродных волокон. Однако, в отличие от углеродных волокон, УНТ пряжа не испытывает катастрофической потери прочности при механическом, химическом, радиационном или тепловом воздействии.

Ткань на основе УНТ получают из массива УНТ посредством вытягивания без использования процедуры скручивания. Прочное полотно получается при скорости вытягивания до 30 м/мин, что сравнимо со скоростью получения шерстяных нитей (20 м/мин.). Так, из массива УНТ высотой 245 мкм удалось получить полотно длиной около 3 м. Уплотнение позволило уменьшить толщину полотна до 50 нм при удельной плотности 30 мг/м2. Измерения показывают, что удельная прочность такого полотна 120-140 МПа/(г/см3), удельное сопротивление - около 500 Ом/см2, а работа выхода электрона равна 5,2 эВ.

Сочетание высоких механических качеств с электропроводностью и прозрачностью открывает значительные перспективы использования пряжи и тканей на основе УНТ в качестве материала для искусственных мускулов, в качестве прозрачных электродов, в качестве нагреваемых покрытий для оконных стекол и т. п.